本發(fā)明涉及無線通信和物理層安全領域，特別涉及一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法。

背景技術：

隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展所帶來的用戶對服務質(zhì)量的進一步要求，通信安全成為一個重要的關注點。在無線通信中，射頻信號的廣播特性導致信源廣播的信息容易被竊聽者截獲。竊聽問題已成為無線通信系統(tǒng)面臨的日益嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的加密措施是在物理層的上層采用加密編碼方案，從而提升系統(tǒng)的安全傳輸性能。但是，加密編碼方案的有效性是建立在竊聽端計算能力有限的假設基礎之上的。在現(xiàn)代處理器計算能力飛速提升的背景下，傳統(tǒng)的上層加密編碼方案變得越來越不可靠。此外，現(xiàn)階段中繼傳輸系統(tǒng)中，中繼多工作在半雙工模式，不能充分利用無線資源(時間和頻率)，造成了無線資源的浪費。更進一步的，對傳統(tǒng)三節(jié)點(信源、中繼和信宿)竊聽模型的現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，正安全速率不一定總是存在，這將導致無線通信系統(tǒng)的傳輸速率受限。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法，采用人工噪聲預編碼方案同時傳輸合法信息和人工噪聲，在提升合法信道傳輸速率的同時，能有效降低竊聽信道容量；通過采用全雙工中繼，使無線資源利用率大大提升；通過采用多天線技術，顯著提升無線通信系統(tǒng)的傳輸速率。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法，應用在包括信源、中繼、信宿和竊聽者四個節(jié)點的無線通信系統(tǒng)中，所述信源、中繼和信宿均配置若干根天線，方法包括：

步驟a，信源采用人工噪聲預編碼方案同時廣播有用信號和人工噪聲信號；

步驟b，中繼對信源廣播的信號和中繼處自干擾進行接收，竊聽者對信源廣播的信號和中繼發(fā)射的重編碼信號進行接收；

步驟c，中繼節(jié)點采用自干擾消除技術來減小自干擾帶來的影響；

步驟d，信宿采用最大比合并策略接收中繼重編碼后的發(fā)射信號；

步驟e，獲取信源到中繼鏈路及中繼到信宿鏈路的信干噪比，并計算出信宿和竊聽者處的接收信干噪比；

步驟f，根據(jù)信宿和竊聽者處的接收信干噪比獲取所述系統(tǒng)的瞬時安全速率，并計算出平均安全速率。

進一步的，步驟a中，信源采用人工噪聲預編碼方案廣播的信號表示為：

xs[i]＝w1x[i]+w2v

其中，x[i]表示第i個時隙的合法信號，滿足表示求數(shù)學期望符號，α表示功率分配因子，0＜α＜1，ps表示信源發(fā)送功率；v表示人工噪聲向量，中的每一個元素都服從獨立同分布的均值為零方差為的復高斯分布，功率在ns-1個人工噪聲元素間均勻分配，有w1表示波束形成向量，hsr為1×ns維向量，表示信源到中繼信道參數(shù)向量，ns表示信源端天線數(shù)，||hsr||表示對向量求2-范數(shù)；w2是信道參數(shù)hsr零空間的正交基矩陣，w2＝null(hsr)，c為復數(shù)集合符號，表示(ns-1)×1維復數(shù)向量，表示ns×(ns-1)維復數(shù)向量。

進一步的，步驟b中，中繼接收的信號表示為：

yr[i]＝hsrxs[i]+frrt[i]+nr[i]

＝||hsr||x[i]+frrt[i]+nr[i]

竊聽者接收的信號表示為：

ye[i]＝gsexs[i]+gret[i]+ne[i]

＝gsew1x[i]+gsew2v+gret[i]+ne[i]

其中，t[i]表示中繼重編碼后的發(fā)送信號，滿足pr表示中繼的發(fā)送功率；frr表示中繼處的自干擾信道參數(shù)；gse為1×ns維向量，表示信源到竊聽節(jié)點的信道參數(shù)向量；gre中繼到竊聽節(jié)點的信道參數(shù)；nr[i]和ne[i]分別表示中繼和竊聽節(jié)點處的零均值單位方差加性白高斯噪聲；上標h表示共軛轉置。

進一步的，步驟c中，不完全自干擾消除后中繼的接收信號表示：

其中，建模為不完全的自干擾消除信道，是一個衡量自干擾消除程度的關鍵指標，其服從均值為1/k的指數(shù)分布，k表示自干擾消除程度；中繼工作在解碼轉發(fā)模式下，其轉發(fā)信號可以表示為：τ表示中繼在解碼處理接收信號時產(chǎn)生的延時。

進一步的，步驟d中，信宿接收的信號表示為：

其中，hrd為nd×1維向量，表示中繼到信宿的信道參數(shù)向量；nd[i]代表信宿處的零均值單位方差加性白高斯噪聲；nd表示信宿端天線數(shù)。

進一步的，步驟e中，信源到中繼鏈路的信干噪比表示為：

中繼到信宿鏈路的信干噪比表示為：

γrd＝pr||hrd||²

中繼節(jié)點采用固定解碼轉發(fā)協(xié)議，信宿的接收信干噪比表示為：

γd＝min{γsr,γrd}

竊聽者處的接收信干噪比表示為：

其中，γ2＝||gsew2||²、γ3＝|gre|²、

進一步的，步驟f中，系統(tǒng)的瞬時安全速率表示為：

cs＝max{cd-ce,0}

其中，cd＝log2(1+γd)，ce＝log2(1+γe)；

對cs求數(shù)學期望獲為平均安全速率，表示為：

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明方法采用人工噪聲預編碼方案同時傳輸合法信息和人工噪聲，在提升合法信道傳輸速率的同時，有效降低竊聽信道容量，正安全容量總是存在；

(2)本發(fā)明方法采用全雙工中繼，大大提升了無線資源的利用率；

(3)本發(fā)明方法采用多天線技術，可有效提升系統(tǒng)可達安全速率。

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法所應用的系統(tǒng)模型圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明方法所提及全雙工中繼無線通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)半雙工中繼無線通信系統(tǒng)在不同信源發(fā)射功率情況下的遍歷可達安全速率對比圖；

圖4為本發(fā)明方法所提及全雙工中繼無線通信系統(tǒng)遍歷可達安全速率隨不同信源天線根數(shù)的變化曲線圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法，應用在包括信源s、中繼r、信宿d和竊聽者e四個節(jié)點的無線通信系統(tǒng)中，所述信源s、中繼r和信宿d均配置若干根天線。

如圖2所示，本發(fā)明提供的一種全雙工中繼系統(tǒng)的人工噪聲預編碼安全傳輸方法，具體包括如下步驟：

步驟201，信源采用人工噪聲預編碼方案同時廣播有用信號和人工噪聲信號。

具體的，信源發(fā)射信號可表示為：

xs[i]＝w1x[i]+w2v

其中，x[i]表示第i個時隙的合法信號，滿足表示求數(shù)學期望符號，α表示功率分配因子，0＜α＜1，ps表示信源發(fā)送功率；v表示人工噪聲向量，中的每一個元素都服從獨立同分布的均值為零方差為的復高斯分布，由于功率在ns-1個人工噪聲元素間均勻分配，有w1表示波束形成向量，用來匹配合法信道參數(shù)hsr，以最大化中繼的接收信干噪比，即hsr為1×ns維向量，表示信源到中繼信道參數(shù)向量，ns表示信源端天線數(shù)，||hsr||表示對向量求2-范數(shù)；w2是信道參數(shù)hsr零空間的正交基矩陣，即w2＝null(hsr)，c為復數(shù)集合符號，表示(ns-1)×1維復數(shù)向量，表示ns×(ns-1)維復數(shù)向量。

步驟202，中繼對信源廣播的信號和中繼處自干擾進行接收，竊聽者對信源廣播的信號和中繼發(fā)射的重編碼信號進行接收。

具體的，中繼對步驟201中信源廣播的信號和中繼處自干擾進行接收，竊聽者對步驟201中信源廣播的信號和中繼發(fā)射的重編碼信號進行接收，中繼接收的信號表示為：

yr[i]＝hsrxs[i]+frrt[i]+nr[i]

＝||hsr||x[i]+frrt[i]+nr[i]

竊聽者接收的信號表示為：

ye[i]＝gsexs[i]+gret[i]+ne[i]

＝gsew1x[i]+gsew2v+gret[i]+ne[i]

其中，t[i]表示中繼重編碼后的發(fā)送信號，滿足pr表示中繼的發(fā)送功率；frr表示中繼處的自干擾信道參數(shù)；gse為1×ns維向量，表示信源到竊聽節(jié)點的信道參數(shù)向量；gre中繼到竊聽節(jié)點的信道參數(shù)；nr[i]和ne[i]分別表示中繼和竊聽節(jié)點處的零均值單位方差加性白高斯噪聲；上標h表示共軛轉置。

步驟203，中繼節(jié)點采用自干擾消除技術來減小自干擾帶來的影響。

具體的，基于步驟202，中繼節(jié)點確知自己的解碼轉發(fā)信號，因此可采用自干擾消除技術來減小自干擾帶來的影響。不完全自干擾消除后中繼的接收信號表達式為：

其中，建模為不完全的自干擾消除信道，是一個衡量自干擾消除程度的關鍵指標，其服從均值為1/k的指數(shù)分布，k表示自干擾消除程度；中繼工作在解碼轉發(fā)模式下，其轉發(fā)信號可以表示為：τ表示中繼在解碼處理接收信號時產(chǎn)生的延時。

步驟204，信宿采用最大比合并策略接收中繼重編碼后的發(fā)射信號。

具體的，基于步驟202，信宿采用最大比合并策略接收中繼重編碼后的發(fā)射信號，接收信號可表示為：

其中，hrd為nd×1維向量，表示中繼到信宿的信道參數(shù)向量；nd[i]代表信宿處的零均值單位方差加性白高斯噪聲；nd表示信宿端天線數(shù)。

步驟205，獲取信源到中繼鏈路及中繼到信宿鏈路的信干噪比，并計算出信宿和竊聽者處的接收信干噪比。

具體的，基于步驟202、步驟203和步驟204，信源到中繼鏈路的信干噪比表示為：

中繼到信宿鏈路的信干噪比表示為：

γrd＝pr||hrd||²

中繼節(jié)點采用固定解碼轉發(fā)協(xié)議，信宿的接收信干噪比表示為：

γd＝min{γsr,γrd}

竊聽者處的接收信干噪比表示為：

其中，γ2＝||gsew2||²、γ3＝|gre|²、

步驟206，根據(jù)信宿和竊聽者處的接收信干噪比獲取所述系統(tǒng)的瞬時安全速率，并計算出平均安全速率。

具體的，基于步驟205，系統(tǒng)的瞬時安全速率為cs＝max{cd-ce,0}，其中，cd＝log2(1+γd)，ce＝log2(1+γe)，對cs求數(shù)學期望即為平均安全速率：

如圖3所示為本發(fā)明所提及全雙工中繼無線通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)半雙工中繼無線通信系統(tǒng)在不同信源發(fā)射功率情況下的遍歷可達安全速率對比圖。其中，信源和信宿端天線個數(shù)為ns＝nd＝4，信源端功率分配因子α＝0.5，中繼發(fā)射功率為pr＝20db，自干擾消除程度為k＝-20db。

如圖4所示為本發(fā)明所提及全雙工中繼無線通信系統(tǒng)遍歷可達安全速率隨不同信源天線根數(shù)的變化曲線圖。其中，信宿端天線個數(shù)為nd＝5，信源端功率分配因子α＝0.5，信源發(fā)射功率為ps＝30db，中繼發(fā)射功率為pr＝20db，自干擾消除程度為k＝-20db。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。