一種中繼物理層安全傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種中繼物理層安全傳輸方法，屬于通信領(lǐng)域。本發(fā)明的中繼節(jié)點工作在全雙工模式下，配備多根天線，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。本發(fā)明設(shè)計了預(yù)編碼矩陣作為人工噪聲，讓中繼節(jié)點在每個時隙同時發(fā)送期望信號和人工噪聲的混合信號到目的節(jié)點。竊聽節(jié)點能夠竊聽到該混合信號。目的節(jié)點能夠從混合信號中消除設(shè)計的人工噪聲，從而解碼出期望信號，而竊聽節(jié)點無法做到這一點。本發(fā)明還推導(dǎo)獲得系統(tǒng)的安全速率，獲取了期望信號和人工噪聲之間的最優(yōu)功率分配策略。通過本發(fā)明方法，可以有效地對抗竊聽行為，顯著提升系統(tǒng)的安全性能。
【專利說明】
-種中繼物理層安全傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及通信領(lǐng)域，特別設(shè)及一種中繼物理層安全傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物理層安全在無線通信中的應(yīng)用近來引起了相當多的關(guān)注，因為從信息論的觀點 上看，不需要對上層數(shù)據(jù)加密也可W防止被竊聽。隨著對物理層安全研究的深入，其研究的 模型也更加復(fù)雜，其中中繼系統(tǒng)的物理層安全是近些年的熱點之一。
[0003] 協(xié)作中繼通信是提高安全速率的有效方法之一。協(xié)作中繼（cooperative relaying，CR)能增強從源節(jié)點到目的節(jié)點的安全性能，而協(xié)作干擾（cooperative jamming，CJ)是通過人工噪聲(adificial noise,AN)的方式對竊聽節(jié)點進行干擾。而相關(guān) 文獻提出的混合CR和CJ的方案，并對CR和CJ之間的中繼的功率分配來最大化安全速率[參 考文件 1 :C.W曰η邑，H.-M.W曰η邑，曰nd X.-G.Xi曰，''Hybrid opportunistic rel曰yin邑曰nd jamming with power allocation for secure cooperative networks,IEEE Trans.Wireless Commun. ,vol. 14,no.2,99.589-605,^6.2015]。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的研究 重點放在了半雙工中繼化alf duplex relay，HDR)，很少觸及全雙工中繼（化11 duplex relay,抑R)，尤其是多天線全雙工中繼的情況。
[0004] 傳統(tǒng)的設(shè)備一般工作在半雙工模式下，而全雙工技術(shù)已經(jīng)成為5G通信的關(guān)鍵技術(shù) 之一。半雙工是指在同一時隙下，設(shè)備只能進行發(fā)送或接收的功能，而全雙工則是在同一時 隙下，設(shè)備能同時進行發(fā)送和接收的功能，從而幾乎是半雙工頻譜效率的兩倍。FDR克服HDR 固有的頻譜效率的缺陷，但是全雙工傳輸存在相對強的自干擾信號?，F(xiàn)有相關(guān)的技術(shù)表明 當自干擾被顯著抑制時，抑R具有比皿R更好安全性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對全雙工中繼，提供了一種中繼物理層安全 傳輸方法，用英文可描述為化11 Duplex Hybrid Relaying-and-Jamming，簡稱為抑HRJ。本 發(fā)明方法的中繼工作在全雙工模式下，配備多根天線，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（(16(30(16-曰11(1- forwardiDp·)協(xié)議。
[0006] 本發(fā)明的一種中繼物理層安全傳輸方法，所應(yīng)用的中繼系統(tǒng)包含有一個單天線源 節(jié)點S，一個Μ根天線中繼節(jié)點R，一個單天線竊聽節(jié)點E，W及一個單天線目的節(jié)點DdM為大 于1的整數(shù)。設(shè)所有信道經(jīng)歷塊衰落，即信道傳輸特性在固定個字符周期上保持不變，且相 互獨立服從均值為0,方差為1的復(fù)高斯分布。源節(jié)點S到中繼節(jié)點R，源節(jié)點S到竊聽節(jié)點E， 中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D，中繼節(jié)點R到竊聽節(jié)點E的信道轉(zhuǎn)移矩陣分別為hw.E;C"\i， hw巨炒1，hweCixw，h,c€Cixw，其中億表示復(fù)數(shù)域。（.）H，（ .）τ，（ .）*，（ .）-1分別表示 矩陣的共輛轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置，共輛，取逆運算。I · I和II · II分別表示復(fù)數(shù)的絕對值和矩陣的范 數(shù)。det( ·)表示矩陣的行列式。Ε( ·)表示隨機變量的數(shù)學期望。[x] +=max(x，0)。具體步 驟包括：
[0007] 步驟1，在t時刻，單天線源節(jié)點S向中繼節(jié)點R發(fā)送期望信號Xs(t)。
[0008] 步驟2,在t時刻，中繼節(jié)點R接收來自源節(jié)點S在t-1時刻發(fā)送的期望信號Xs(t-l)， 同時因為中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議且工作在全雙工模式，因此中繼節(jié)點可W轉(zhuǎn)發(fā)的信 號為
[0009]
[0010] 其中，ae(〇，l)為期望信號與人工噪聲之間的功率分配因子；Wi=hf,/||hw||，W2 = Η丄為設(shè)計的人工噪聲，其中山為矩陣hrd零空間的正交基的列向量，可W得至化rdW2 = 0
[0011] z(t) = [zi(t),Z2(t),. . . ,ZM-i(t)]T是系統(tǒng)噪聲，其中Zm(t),m=l,2,. . . ,Μ-1 是獨 立同分布的復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差關(guān)
噪聲部分W2Z ( t ) 發(fā)射的空間各向同性，不會干擾到目的節(jié)點DdXsU-I)同時與z(t)相互獨立。
[0012] 中繼節(jié)點R可W接收到的信號yr(t)為：
[0013]
[0014] 其中，h".eCMx'"表示中繼節(jié)點R經(jīng)過自干擾消除技術(shù)之后的殘余自干擾，設(shè)hrr是 獨立瑞利分布變量。Ps是源節(jié)點的發(fā)射功率。Pr是中繼節(jié)點的發(fā)射功率。nr(t)為t時刻中繼 節(jié)點處的加性噪聲，矩陣中每一個元素是獨立同分布的復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為 燈:。
[001引步驟3,在t時刻，目的節(jié)點D接收到信號yd(t)為：
[0016]
[0017]其中，nd(t)為t時刻目的節(jié)點處的加性噪聲，矩陣中每一個元素是獨立同分布的 復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為。
[001引步驟4,在t時刻，竊聽節(jié)點E接收到信號ye(t)為：
[0019]
[0020] 其中，ne(t)為t時刻竊聽節(jié)點處的加性噪聲，矩陣中每一個元素是獨立同分布的 復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為of。
[002。 步驟5,獲得源節(jié)點巧忡繼節(jié)點R的可達速率Rsr為：
[0022]
[0023] 獲得中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D的可達速率Rrd為：
[0024] Rrd=l〇g2(l+aPr| |hrdWl||2)
[0025] 獲得竊聽信道的可達速率Re為：
[0026]
[0027]獲得系統(tǒng)安全速率Rs為：
[002引
[0029] 步驟6,利用二分法，得到系統(tǒng)安全速率的最優(yōu)功率分配為
[0030]
[0031] 其中I為單位矩陣，根據(jù)〇Dpt進行期望信號與人工噪聲之間的功率分配。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于:本發(fā)明方法在中繼節(jié)點處設(shè)計了預(yù)編碼矩陣作為 人工干擾，在全雙工模式下中繼在每個時隙同時發(fā)送期望信號和人工干擾，目的節(jié)點可W 解碼出期望信號，并消除人工干擾的不利影響，而竊聽節(jié)點無法做到運一點。本發(fā)明方法還 推導(dǎo)獲得系統(tǒng)的安全速率，獲取了期望信號和人工噪聲之間的最優(yōu)功率分配策略。使用本 發(fā)明方法可W有效地對抗竊聽行為，顯著提升系統(tǒng)的安全性能。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明實施例的中繼系統(tǒng)物理層安全的模型示意圖；
[0034] 圖2為當Ps/o2 = 20地，Pr/o2 = 30地時，抑HRJ采用最優(yōu)功率分配，抑皿J采用平均功 率分配和不添加人工噪聲Ξ種方案隨天線數(shù)變化的系統(tǒng)安全速率示意圖；
[0035] 圖3為當Ps/〇2=15地，丫 se= 丫 re = -25地時，抑HRJ采用最優(yōu)功率分配，抑皿J采用 平均功率分配和不添加人工噪聲Ξ種方案隨中繼功率變化的系統(tǒng)安全速率示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成相應(yīng)技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)W實施。本申 請實施例W及實施例中的各個特征，在不相沖突前提下可W相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案 均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0037] 圖1是本發(fā)明實施例的中繼系統(tǒng)物理層安全的模型圖。所述中繼系統(tǒng)包含有一個 單天線源節(jié)點S，一個Μ根天線中繼節(jié)點R，一個單天線竊聽節(jié)點E，一個單天線目的節(jié)點D;M 為大于1的整數(shù)。設(shè)所有信道經(jīng)歷塊衰落，即信道傳輸特性在固定個字符周期上保持不變， 且相互獨立服從均值為0,方差為1的復(fù)高斯分布。源節(jié)點S到中繼節(jié)點R，源節(jié)點S到竊聽節(jié) 點E，中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D，中繼節(jié)點R到竊聽節(jié)點E的信道轉(zhuǎn)移矩陣分別表示為
其中C表示復(fù)數(shù)域。（·）H，（ ·）τ，（ . Γ， (· ri分別表示矩陣的共輛轉(zhuǎn)置，轉(zhuǎn)置，共輛，取逆運算。I · I和Μ · Μ分別表示復(fù)數(shù)的絕對 值和矩陣的范數(shù)。det(.)表示矩陣的行列式。Ε(.)表示隨機變量的數(shù)學期望。
[0038] 本發(fā)明的中繼物理層安全傳輸方法包括步驟1至步驟6。下面說明各實現(xiàn)步驟。
[0039] 步驟1，在t時刻，單天線源節(jié)點S向中繼節(jié)點R發(fā)送期望信號xs(t)，此時竊聽節(jié)點 也可W竊聽到該信號。
[0040] 步驟2,在t時刻，多天線中繼節(jié)點R會接收到來自源節(jié)點S在t-1時刻發(fā)送的期望信 號xs(t-l)，同時因為中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議且工作在全雙工模式，因此中繼節(jié)點在 t時刻可W轉(zhuǎn)發(fā)的信號為Xr(t)，表示為：
[0041]
(1)
[0042] 其中，ae(〇，l)為期望信號與人工噪聲之間的功率分配因子
Η丄為本發(fā)明設(shè)計的人工噪聲，其中山為矩陣hrd零空間的正交基的列向量，可W得到hrdW2 = OoZ(t) = [Zl(t) ,Z2(t) , . . . ,ZM-l(t)]T是系統(tǒng)噪聲，其中Zm(t) ,m=l ,2, . . . ,Μ-1是獨立同分 布的復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為
為Μ-1維的單位矩 陣。噪聲部分W2Z(t)發(fā)射的空間各向同性，不會干擾到目的節(jié)點DeXs(t-l)同時與z(t)相互 獨立。中繼節(jié)點R可W接收到的信號yr(t)，表示為：
[0043]
(2)
[0044] 其中，h". 表示中繼節(jié)點R經(jīng)過自干擾消除技術(shù)之后的殘余自干擾，假設(shè)它 是經(jīng)過有效抑制，所Whrr可W被認為是獨立瑞利分布變量。Ps是源節(jié)點的發(fā)射功率。Pr是中 繼節(jié)點的發(fā)射功率。nr(t)為中繼節(jié)點處的加性噪聲，矩陣中每一個元素是獨立同分布的復(fù) 高斯隨機變量，均值為零，方差為。
[0045] 步驟3,在t時刻，目的節(jié)點接收到信號yd(t)表示為：
[0046]
巧
[0047] 其中，nd(t)為t時刻目的節(jié)點處的加性噪聲，矩陣nd(t)中每一個元素是獨立同分 布的復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為。
[004引步驟4,在t時刻，竊聽節(jié)點接收到信號ye(t)為：
[0049]
[0050] 其中，ne(t)為t時刻竊聽節(jié)點E處的加性噪聲，噪聲矩陣ne(t)中的每一個元素是獨 立同分布的復(fù)高斯隨機變量，均值為零，方差為式。
[0051] 步驟5,推導(dǎo)得到源節(jié)點巧忡繼節(jié)點R的可達速率Rsr、中繼節(jié)點歧I舊的節(jié)點D的可 達速率Rrd、竊聽信道的可達速率Re分別為：
[0057]其中，[x] +=max(x，0)，表示取0和X二者中的較大值。
[005引步驟6,利用二分法，得到系統(tǒng)安全速率的最優(yōu)功率分配ODpt為：
[0059]
(9)
[0060] 其中，I為單位矩陣。根據(jù)獲得的aopt進行期望信號與人工噪聲之間的功率分配，即 在公式（1)中代入α = a〇pt來獲得轉(zhuǎn)發(fā)信號xr (t)。
[0061] 圖2和圖3是本發(fā)明方法的仿真結(jié)果。假設(shè)信道增益為丫 3Τ=||1^Μ2, 丫 rd=||hrd |2, Yse= |hse|2, Yre= I |hre||2, Yrr= Mhrr||2, Yse= Tre = 0dB, Trr = -40dB，設(shè)噪聲功率 市 可 2 2 1 礦=巧=.% =疋='i ο
[0062] 圖2是安全速率隨中繼天線數(shù)變化的結(jié)果。其中抑HRJ opt代表使用最優(yōu)功率分配 的抑皿J策略，抑HRJ opt即本發(fā)明優(yōu)選的中繼物理層安全傳輸方法;FDHRJ ave代表使用平 均功率分配的F畑RJ策略，No AN代表不采用FD皿J策略。整體來看，安全速率隨著中繼天線 數(shù)的增加而增加。當丫 se = -25dB且丫 re = -15dB，^種對比方案的安全速率增長幅度與丫 se =丫 re = -15地的情況類似，但是當丫 se = -15地且丫 re = -25地，抑皿J opt擁有最快的安全 速率的增長幅度，抑HRJ ave也比No AN方案的性能好。綜上所述，本發(fā)明所提出的F畑RJ方 案是優(yōu)于其他兩種對比方案的。
[0063] 圖3顯示系統(tǒng)的安全速率隨中繼的總發(fā)射功率先增后減。此時配置為M = 4, 丫 se = 丫 re = -25地。由于中繼信道的信道速率是取S^R和R^D中較小的信道速率，在信道一定的 情況下，當Pr較小時，R^D的信噪比小于S^R的信噪比，此時中繼信道速率由Pr決定，會隨Pr 的增大而增大；當Pr增大到與Ps相近時，中繼信道的速率取決于S^R的運條鏈路。由于中繼 自干擾信道的存在，會導(dǎo)致中繼信道速率隨Pr的增大而減小;對于竊聽信道而言，隨著Pr的 增加，既會增加竊聽節(jié)點所接收的有用信號，也會增加其接收的干擾信號，因此總的來說不 會隨Pr的增加而產(chǎn)生較大變化。如圖3所示，在信道狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，當P激小時，抑HRJ在 采用a〇pt時與不添加人工噪聲方案的效果一致，但當Pr增大到大約lldBW后，采用a〇pt的 FD皿J方案要遠好于其他兩種對比方案。綜上分析可知，系統(tǒng)的安全速率會隨中繼總發(fā)射功 率的增加而先增后減，當不添加人工噪聲時，竊聽節(jié)點不會接收到中繼發(fā)的干擾信號，運時 其竊聽信道速率會隨著Pr的增加有明顯的增大，因此在圖3中，可W看到No AN運條曲線在 后半段會比其他兩條曲線下降的快得多。
[0064] 綜上所述，本發(fā)明實施例提供的中繼系統(tǒng)物理層安全傳輸模型，采用本發(fā)明提出 的FDHRJ方案，在中繼節(jié)點處設(shè)計了預(yù)編碼矩陣作為人工干擾，在全雙工模式下中繼在每個 時隙同時發(fā)送期望信號和人工干擾，目的節(jié)點可W解碼出期望信號，并消除人工干擾的不 利影響，而竊聽節(jié)點無法做到運一點。最后在該模型下，獲得了系統(tǒng)的安全速率，研究了期 望信號和人工噪聲之間的最優(yōu)功率分配策略，使用所提出方案能顯著提升系統(tǒng)的安全性 能。
[0065] W上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可W做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
【主權(quán)項】
1. 一種中繼物理層安全傳輸方法，其特征在于，所用中繼系統(tǒng)模型包含有一個單天線 源節(jié)點S，一個Μ根天線的中繼節(jié)點R，一個單天線竊聽節(jié)點E以及一個單天線目的節(jié)點D;M為 大于1的整數(shù)；中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議且工作在全雙工模式;所有信道經(jīng)歷塊衰落， 信道傳輸特性在固定個字符周期上保持不變，且相互獨立服從均值為〇,方差為1的復(fù)高斯 分布;設(shè)源節(jié)點S到中繼節(jié)點R、源節(jié)點S到竊聽節(jié)點E、中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D、以及中繼節(jié) 點R到竊聽節(jié)點E的信道轉(zhuǎn)移矩陣分別為\,. ，h i;. eClxl，h,OM，h,v eClxA/，C表 示復(fù)數(shù)域； 所述的傳輸方法包括如下步驟： 步驟1，在t時刻，單天線源節(jié)點S向中繼節(jié)點R發(fā)送期望信號Xs(t); 步驟2，在t時刻，中繼節(jié)點R接收到來自源節(jié)點S在t-1時刻發(fā)送的信號xs(t-1)，中繼節(jié) 點轉(zhuǎn)發(fā)的信號xr(t)為：其中，α為期望信號與人工噪聲之間的功率分配因子，〇^(〇，1);￥1、￥2為設(shè)計的人工噪 聲，Wi ，W2 = H_L，H_L為矩陣hrd零空間的正交基的列向量，hrdW2 = 0;Z(t)為系統(tǒng)噪 聲，Z(t) = [Zl(t)，Z2(t), . . .，ZM-l(t)]T，Xs(t-l)與 Z(t)相互獨立;噪聲部分 W2Z(t)發(fā)射的空 間各向同性，不會干擾到目的節(jié)點D;( · )H、（ ·）τ分別表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置、轉(zhuǎn)置，| | · 11表 示矩陣的范數(shù)； 中繼節(jié)點R在t時刻接收到的信號(t)為：其中，h,,. e CMxM表示中繼節(jié)點R經(jīng)過自干擾消除技術(shù)之后的殘余自干擾，設(shè)hrr是獨立 瑞利分布變量;Ps是源節(jié)點S的發(fā)射功率，Pr是中繼節(jié)點R的發(fā)射功率;nr (t)為t時刻中繼節(jié) 點處的加性噪聲，噪聲矩陣nr(t)中每一個元素是獨立同分布的復(fù)高斯隨機變量，均值為 零，方差為.of; 步驟3,在t時刻，目的節(jié)點D接收到信號yd(t)為：其中，rid(t)為t時刻目的節(jié)點處的加性噪聲，矩陣nd(t)中每一個元素是獨立同分布的 復(fù)高斯隨機變量； 步驟4，在t時刻，竊聽節(jié)點E接收到信號⑴為：其中，njt)為t時刻竊聽節(jié)點E處的加性噪聲，噪聲矩陣njt)中的每一個元素是獨立同 分布的復(fù)高斯隨機變量； 步驟5，獲得源節(jié)點S到中繼節(jié)點R的可達速率Rsr為：其中，（· Γ1表示矩陣的取逆運算； 獲得中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D的可達速率Rrd為： Rrd-l〇g2( 1+ClPr | | hrdWl | | ) 獲得竊聽i目道的可達速率Re為：其中，I · I表示求復(fù)數(shù)的絕對值； 獲得系統(tǒng)安全速率Rs為：步驟6,利用二分法，得到系統(tǒng)安全速率的最優(yōu)功率分配〇￥為：其中I為單位矩陣，根據(jù)〇_進行期望信號與人工噪聲之間的功率分配。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中繼物理層安全傳輸方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)噪聲 z(t)中的元素 zm(t)，m=l，2,. . .，M-1，是獨立同分布的復(fù)高斯隨機變量，其均值為零，方差;E( ·)表示隨機變量的數(shù)學期望，維的單位矩陣。
【文檔編號】H04W12/00GK106059705SQ201610326446
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】王強, 齊航, 王怡, 楊麗娜, 董敏華, 韋偉, 胡鑫, 黃健歐
【申請人】北京郵電大學