專利名稱：一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通信的保密性一直是通信特別是無線通信領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。物理層安全通信作為安全通信的一種方式具有其他安全通信措施所不具有的一些特點(diǎn)，譬如不需要密匙，不易被竊聽等。解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward)方式是協(xié)作通信系統(tǒng)的一種重要工作方式。在解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式下，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)從信源節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，而后對(duì)從接收信號(hào)中恢復(fù)出的原始信號(hào)進(jìn)行加權(quán)繼而將加權(quán)信號(hào)發(fā)射至信宿節(jié)點(diǎn)。由于協(xié)作通信可以使具有單根天線的移動(dòng)平臺(tái)獲得類似于MMO系統(tǒng)中的某些增益，其實(shí)現(xiàn)又較MMO系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、 方便，故協(xié)作通信在無信通信系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，研究基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)物理層保密性能及相對(duì)應(yīng)的波束成形矢量的優(yōu)化有著十分重要的意義。物理層安全通信的概念最早由A. D. Wyner于1978年提出。作為衡量通信系統(tǒng)物理層安全性能的指標(biāo)，保密容量被定義為最大保密速率；而保密速率是指能夠保證信源信宿之間的信息可靠傳輸，且竊聽者得不到任何信息的通信速率。現(xiàn)有的對(duì)于基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量的研究基本集中于在總功率限制下，“Improving wireless physical layer security via cooperating relays，，[IEEE Trans. Signal Process, vol. 58，no. 3，Mar. 2010.一文即屬于此列。然而，對(duì)于協(xié)作通信系統(tǒng)而言，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間相互獨(dú)立，單個(gè)功率限制相較總功率限制而言更為合理。為彌補(bǔ)這方面研究的空白，我們提出了一種計(jì)算單個(gè)功率限制下基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量及其相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束成形矢量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)單個(gè)功率限制下基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量的研究相對(duì)欠缺的問題，本發(fā)明提出了一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法。使用該方法得出的最優(yōu)波束成形矢量的DF協(xié)作通信系統(tǒng)能夠以最大的保密速率進(jìn)行通信。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法，由以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都是單天線的節(jié)點(diǎn)， 預(yù)先設(shè)整個(gè)通信系統(tǒng)工作在DF方式下，在通信的第一階段，信源節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送至各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，在第二個(gè)階段，所有的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的有污損的信號(hào)進(jìn)行解碼，還原出信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的原始信號(hào)，而后相互協(xié)作，將原始信號(hào)發(fā)送至信宿節(jié)點(diǎn)，竊聽節(jié)點(diǎn)在這個(gè)過程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行竊聽，系統(tǒng)中信源節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)，參與協(xié)作通信的中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是已知的，記作N ;整個(gè)系統(tǒng)的信道是準(zhǔn)靜態(tài)的，平坦衰落的無記憶信道，記信宿信道h = Dv hN_JH其中/ 表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)， 竊聽信道g = [g。，.....，gN-JH其中e C表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)；所有的噪聲都是平穩(wěn)的高斯白噪聲，信宿節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為4，竊聽節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為4 ;將波束成形矢量記做W = [Wci,——，WN_JT,其中￥1,於=0，...，#-1為第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的波束成形因子，該方法步驟如下I)利用信道估計(jì)，估計(jì)出4，^,g, h的值，設(shè)定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的功率限制Pi的值和求解精度e，該求解精度指的是保密容量的真實(shí)值與求解值之間差的絕對(duì)值，計(jì)算出信宿信道的自相關(guān)矩陣Rh = hhH，竊聽信道的自相關(guān)矩陣Rg = ggH ；2)初始化tmin, ^max =a2E, tmax的初始化通過求解優(yōu)化問題⑴進(jìn)行,記⑴的
最優(yōu)值為Opt人 = 0It + aI
「00111 maximize: Re(W^g)x、
L 」 W ( 1 )subject to: |w| < p^\fi = 0,TV — It_、tmin分別為的上限和下限，其中為欲求解的最優(yōu)波束成形矢量，(I)式表示在約束式(subject to:后的部分)對(duì)變量w進(jìn)行限制的條件下，求解目標(biāo)函數(shù)(maximize :后的部分)Re (wHg)的最大值,其中Re ( )代表取實(shí)部運(yùn)算；(I)問題是標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化問題,可以通過內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization. Cambridge, U. K. Cambridge Univ. Press,2004.。3)計(jì)算 tleft = t—-0. 618 (tmax-tmin)，tright = tmin+0. 618 (tmax-tmin) ；4)將 tleft 代入 ^W = /#) +弋/味解R1Ulrft),同理，計(jì)算R1(Ught),其中f\(t)為問題⑵的最優(yōu)值的平方；maximize: Re(w^h)
Wsubject to: a2E + wHR^w < t(2)|wf < pt, V*=隨著t的變化(2)式的最優(yōu)值的平方會(huì)不斷的變化，因而(2)式的最優(yōu)值的平方可以被記為一個(gè)關(guān)于t的函數(shù)，即f\(t)，同時(shí)(2)問題同樣是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化問題；5)若 R1 (tleft) < R1 (tright)則對(duì)進(jìn)行賦值 Un = tleft,若 R1 (tleft) > R1 (tright) 則對(duì) t_ 進(jìn)行賦值 t_ = tright，若 R1 (tleft) = R1 (tright)則對(duì) t—和 t_ 進(jìn)行賦值 t. = tleft,
tmax tright 6)計(jì)算tmax_tmin，若tmax_tmin > e則跳轉(zhuǎn)至步驟3)，否則繼續(xù)步驟7)；7)計(jì)算 = (tmax+tmin) /2 ；8)計(jì)算通信系統(tǒng)的保密容量Q并通過將tl帶入(2) 求解相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束成形矢量w* ；9)輸出通信系統(tǒng)的保密容量Cs和最優(yōu)波束成形矢量W*。上述maximize是運(yùn)算符號(hào)，意思為求解目標(biāo)函數(shù)(maximize :后的部分)Re(wHg) 的最大值，其中Re( )代表取實(shí)部運(yùn)算。上述subject to :是運(yùn)算符號(hào),表示在約束式(sub ject to:后的部分)對(duì)變量w進(jìn)行限制的條件。上述max{A，B}是運(yùn)算符號(hào)，其運(yùn)算結(jié)果為A和B之中較大的值。本發(fā)明提出的求解單個(gè)功率限制下基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量及其相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束成形矢量的方法通過將目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問題和一個(gè)一維線性搜索問題的組合能夠以較高的精度得出單個(gè)功率限制下基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量及相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束成形矢量。本發(fā)明的意義在于相比較于由信源直接發(fā)射信號(hào)到信宿的直接傳輸系統(tǒng)，在總發(fā)射功率相同的情況下，使用該方法進(jìn)行波束成形優(yōu)化后的DF協(xié)作通信系統(tǒng)的物理層保密能力有著顯著的優(yōu)勢(shì)。


圖I是本發(fā)明方法的流程框圖。其中1)-9)為其中的各個(gè)步驟。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法，如圖I所示，由以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都是單天線的節(jié)點(diǎn)，預(yù)先設(shè)整個(gè)通信系統(tǒng)工作在DF方式下，在通信的第一階段，信源節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送至各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，在第二個(gè)階段，所有的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的有污損的信號(hào)進(jìn)行解碼，還原出信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的原始信號(hào)，而后相互協(xié)作，將原始信號(hào)發(fā)送至信宿節(jié)點(diǎn)，竊聽節(jié)點(diǎn)在這個(gè)過程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行竊聽，系統(tǒng)中信源節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)，參與協(xié)作通信的中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是已知的，記作N ;整個(gè)系統(tǒng)的信道是準(zhǔn)靜態(tài)的，平坦衰落的無記憶信道，記信宿信道h = [h0,, hN_JH其中/ e C表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)，竊聽信道g= [g。，.....，gN-JH其中式ec表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)；所有的噪聲都是平穩(wěn)的高斯白噪聲，信宿節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為％，竊聽節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為;將波束成形矢量記做W = [Wci,——，WnJt,其中Wi, V*= U-I為第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處的波束成形因子，該方法步驟如下I)利用信道估計(jì)，估計(jì)出4，^,g, h的值，設(shè)定每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的功率限制Pi的值和求解精度e，該求解精度指的是保密容量的真實(shí)值與求解值之間差的絕對(duì)值，計(jì)算出信宿信道的自相關(guān)矩陣Rh = hhH，竊聽信道的自相關(guān)矩陣Rg = ggH ；2)初始化tmin, ^max : = O2e，tmax的初始化通過求解優(yōu)化問題(I)進(jìn)行,記(I)的
最優(yōu)值為Opt人 = 0It + aI
權(quán)利要求
1.一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法，由以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都是單天線的節(jié)點(diǎn)， 預(yù)先設(shè)整個(gè)通信系統(tǒng)工作在DF方式下，在通信的第一階段，信源節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送至各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，在第二個(gè)階段，所有的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的有污損的信號(hào)進(jìn)行解碼，還原出信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的原始信號(hào)，而后相互協(xié)作，將原始信號(hào)發(fā)送至信宿節(jié)點(diǎn)，竊聽節(jié)點(diǎn)在這個(gè)過程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行竊聽，系統(tǒng)中信源節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)，參與協(xié)作通信的中繼節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是已知的，記作N ;整個(gè)系統(tǒng)的信道是準(zhǔn)靜態(tài)的，平坦衰落的無記憶信道，記信宿信道h = Dv....，hN_JH其中/ ec表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)，竊聽信道g= [g。，.....，gN-JH其中ff.ec表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)間的信道衰落因數(shù)；所有的噪聲都是平穩(wěn)的高斯白噪聲，信宿節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為％，竊聽節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率為4 ;將波束成形矢量記做
全文摘要
一種提高解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作系統(tǒng)保密性能的波束成形優(yōu)化方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，由以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括信源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)和竊聽節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明方法通過將目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問題和一個(gè)一維線性搜索問題的組合能夠以較高的精度得出單個(gè)功率限制下基于DF方式工作的協(xié)作通信系統(tǒng)的保密容量及相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束成形矢量。本發(fā)明的意義在于相比較于由信源直接發(fā)射信號(hào)到信宿的直接傳輸系統(tǒng)，在總發(fā)射功率相同的情況下，使用該方法進(jìn)行波束成形優(yōu)化后的DF協(xié)作通信系統(tǒng)的物理層保密能力有著顯著的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)H04B7/06GK102611488SQ20121009051
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者馬丕明, 馬暉 申請(qǐng)人:山東大學(xué)