一種信道安全傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種信道安全傳輸方法，屬于通信技術(shù)的【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括，在預(yù)處理中，基于各中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信息的過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的安全容量的最大化優(yōu)化處理來(lái)確定各中繼節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí)的信號(hào)權(quán)重因子v和人工噪聲nJ；當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將所接收的信源信息分別乘上權(quán)重因子v，然后再加上人工噪聲nJ作為其下一步待傳輸?shù)男盘?hào)，即各中繼節(jié)點(diǎn)在協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的同時(shí)，發(fā)送人工噪聲。本發(fā)明主要應(yīng)用于物理層安全通信中，提高了系統(tǒng)最大可達(dá)安全速率，達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)安全性能的目的。
【專利說(shuō)明】一種信道安全傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)，特別地涉及存在中繼時(shí)的物理層安全通信技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于物理層的信息安全技術(shù)已經(jīng)成為了無(wú)線通信和信 息安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有效利用無(wú)線通信系統(tǒng)的物理層資源，研究基于物理層資源的信 息安全技術(shù)，探索能夠有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)安全性的新方法，具有深遠(yuǎn)的理論意義和實(shí) 際應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 無(wú)線通信的廣播特性，使得信息在傳輸過(guò)程中容易被竊聽(tīng)者竊取。傳統(tǒng)的，在上層 設(shè)計(jì)一些密碼協(xié)議來(lái)提供安全通信，但是密鑰的分配和管理需要很大的代價(jià)，而且容易受 到攻擊，所以研究的重點(diǎn)就轉(zhuǎn)移到了物理層的安全保障問(wèn)題。其主要目的是利用物理層的 特性，提供安全通信。竊聽(tīng)信道模型是指信源節(jié)點(diǎn)向合法接收節(jié)點(diǎn)傳輸消息的時(shí)候，受到其 它節(jié)點(diǎn)的竊聽(tīng)。最簡(jiǎn)單的竊聽(tīng)信道模型是三節(jié)點(diǎn)模型，即一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)S，一個(gè)合法接收節(jié) 點(diǎn)D和一個(gè)竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)E，各節(jié)點(diǎn)配備單天線。研究證明在這種模型下，只有當(dāng)S-D之間的信 道條件比S- E之間的信道條件好時(shí)，合法接收節(jié)點(diǎn)才能獲得大于0的安全速率，因此這種 三節(jié)點(diǎn)模型受信道條件影響較大，所以就提出了多天線模型來(lái)改善S- D之間的信道質(zhì)量， 同時(shí)惡化S-E之間的信道質(zhì)量。但是考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，由于各節(jié)點(diǎn)受尺寸和成本的限 制，節(jié)點(diǎn)無(wú)法配備多天線。這種情景下，通過(guò)配備單天線的多中繼協(xié)作可以有效獲得多天線 帶來(lái)的增益。
[0004] 中繼協(xié)作通信作為物理層安全技術(shù)的一項(xiàng)分支，在蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線自組織網(wǎng) 絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種主流無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中都有非常廣闊的應(yīng)用前景。常見(jiàn)的中繼協(xié)議主 要有以下幾種 ：
[0005] 放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and_Forward，AF):它是最簡(jiǎn)單的中繼協(xié)議。對(duì)于接收到的夾 雜噪聲的信源信號(hào)，中繼只是簡(jiǎn)單地將其放大并轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，不做其它處理。
[0006] 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and_Forward，DF):中繼首先對(duì)收到的信源信號(hào)進(jìn)行譯碼，然 后再將譯出的信息重新編碼后發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。這樣做的目的是去除中繼節(jié)點(diǎn)處噪聲的影 響。
[0007] 協(xié)同干擾（Cooperative Jamming, CJ):在信源傳送消息的同時(shí)，中繼各節(jié)點(diǎn)傳輸 與信源消息獨(dú)立的加權(quán)噪聲信號(hào)來(lái)干擾竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)。
[0008] 近年來(lái)，利用多中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作增強(qiáng)物理層安全性受到了很大重視。一般地有兩種 方式：一種是中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作改善S-D之間的信道質(zhì)量；另一種是中繼節(jié)點(diǎn)采用協(xié)同干擾以 干擾竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收信息，惡化S- E之間的信道質(zhì)量。
[0009] 目前關(guān)于協(xié)作中繼抗竊聽(tīng)的實(shí)現(xiàn)方式中，通常有三種方式：
[0010] (1)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均采用中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信源信息（即AF或者DF轉(zhuǎn)發(fā)方式）；
[0011] (2)各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)均采用協(xié)同干擾（CJ)以干擾竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收；
[0012] (3)部分中繼節(jié)點(diǎn)采用中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信源信息，部分中繼節(jié)點(diǎn)采用協(xié)同干擾以干 擾竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收。
[0013] 現(xiàn)有研究中，僅在DF轉(zhuǎn)發(fā)方式下獲得了系統(tǒng)的最優(yōu)安全速率，而在AF或CJ策略 下，僅能確定系統(tǒng)的次優(yōu)安全速率，因此對(duì)基于協(xié)同干擾實(shí)現(xiàn)中繼抗竊聽(tīng)的方案，有待于進(jìn) 一步提高其可行的安全速率，提升系統(tǒng)資源的利用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)在協(xié)作轉(zhuǎn) 發(fā)信號(hào)的同時(shí)，發(fā)送人工噪聲的傳輸方法，從而提升系統(tǒng)的傳輸安全速率。
[0015] 本發(fā)明的信道安全傳輸方法包括下列步驟：
[0016] 預(yù)處理步驟：
[0017] 確定各中繼節(jié)點(diǎn)關(guān)于信源節(jié)點(diǎn)S的傳輸權(quán)重因子v和人工噪聲ητ :
[0018] 步驟101 :任意指定一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)D，源節(jié)點(diǎn)S向各中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送訓(xùn)練序列信 息，中繼節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)傳輸所接收到的訓(xùn)練序列信息；
[0019] 基于當(dāng)前信息反饋，確定源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)的信道矢量hSK，中繼節(jié)點(diǎn)到接收節(jié) 點(diǎn)的信道矢量h KD，各中繼節(jié)點(diǎn)的噪聲方差crh接收節(jié)點(diǎn)的噪聲方差為σ?;
[0020] 基于當(dāng)前信道監(jiān)測(cè)信息，確定各竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)Μ，其中m= 1，…，Μ;各中繼 節(jié)點(diǎn)到竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)Em的部分信道信息，以及各竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的噪聲方差
[0021] 步驟102:根據(jù)公式

【權(quán)利要求】
1. 一種信道安全傳輸方法，其特征在于，包括下列步驟： 預(yù)處理步驟： 確定各中繼節(jié)點(diǎn)關(guān)于信源節(jié)點(diǎn)S的傳輸權(quán)重因子V和人工噪聲nT : 步驟101 :任意指定一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)D，源節(jié)點(diǎn)S向各中繼節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送訓(xùn)練序列信息，中 繼節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)傳輸所接收到的訓(xùn)練序列信息； 基于當(dāng)前信息反饋，確定源節(jié)點(diǎn)S到中繼節(jié)點(diǎn)的信道矢量hSK，中繼節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的 信道矢量hKD，各中繼節(jié)點(diǎn)的噪聲方差^ ,接收節(jié)點(diǎn)的噪聲方差為; 基于當(dāng)前信道監(jiān)測(cè)信息，確定各竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)Em的總個(gè)數(shù)M，其中m = 1，…，M ;各中繼節(jié)點(diǎn) 到竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)Em的部分信道信息&":>,.，以及各竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的噪聲方差 步驟102 :根據(jù)公式
，確定竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)接 收信號(hào)信噪比上界t的最大值，其中Ps表示信源節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送功率PS，PK表示所有中 繼節(jié)點(diǎn)的總功率；矩陣I表示單位矩陣；矩陣h = diag{hSK}hKD，符號(hào)diag{ ? }表示關(guān)于 括號(hào)中的矩陣的對(duì)角線矩陣，矩陣hH為矩陣h的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，HM=diag{hs/^4^，
步驟103:將取值區(qū)間[0, 均勻取出K個(gè)值，作為所述t的一維搜索取值，對(duì)K個(gè) 不同取值的t，分別根據(jù)公式：
且滿足條件：
計(jì)算g(T)的對(duì)應(yīng)取值，并保存每個(gè)不同取值的T所對(duì)應(yīng)的g(T)、矩陣Q、〇,的取 值； | -f (T J 、 、、 從K個(gè)不問(wèn)取值的T和g ( T )中，查找使-取得最大值所對(duì)應(yīng)的T，并記錄與 1. r 當(dāng)前T所對(duì)應(yīng)的矩陣和^ ,為最優(yōu)矩陣 基于所述最優(yōu)矩陣和確定所述信源節(jié)點(diǎn)S的權(quán)重因子V和人工噪聲％的取值， 并存儲(chǔ)到各中繼節(jié)點(diǎn)上； 其中，符號(hào)tr{ ?}表示計(jì)算括號(hào)中的矩陣的對(duì)角線元素之和； 所述矩陣CL = ，其中Qv表不權(quán)重因子v的協(xié)方差矩陣；矩陣=11^^，其中QT表 示人工噪聲％的協(xié)方差矩陣，且
矩陣表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，矩陣h|表示矩陣hSK的共軛轉(zhuǎn)置矩陣； 所述矩陣1
所述量為大于〇的拉格朗日系數(shù)，其中下標(biāo)用于區(qū)分不同的竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)； 所述，
_中下標(biāo)m用于區(qū)分不同的竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，常數(shù)a e [0，1]，N表示中繼 節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 所矩陣
表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣； 所述矩陣Ek的維數(shù)與矩陣().相同，且矩陣Ek的第k個(gè)對(duì)角線元素為1，其余對(duì)角元素 和非對(duì)角元素為〇,下標(biāo)k表示中繼節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符； 所述Pk表示第k個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的功率； 中繼節(jié)點(diǎn)傳輸處理步驟： 當(dāng)各中繼節(jié)點(diǎn)接收到源信息后，基于源節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子v和人工噪聲將所述 源信息與對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子v相乘，再加上對(duì)應(yīng)的人工噪聲&后，向?qū)?yīng)的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理步驟的101中，預(yù)設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)的 噪聲方差〇?〗、接收節(jié)點(diǎn)的噪聲方差竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的噪聲方差的取值均為1。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理步驟的103中，常數(shù)a的取 值為0.4。
【文檔編號(hào)】H04W52/26GK104283629SQ201410443189
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】孔衛(wèi)慶, 陳智, 李玲香, 徐禹 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)