一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法

摘要

本发明公开了一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法，包括第一阶段：源节点向所有中继节点发送私密信息，同时干扰节点向目的节点、窃听节点以及所有中继节点发送干扰信号来保护正在传输的信息；第二阶段：每个中继节点对第一阶段接收到的信号采用预编码矩阵的对角元素值进行相乘后转发；其中，预编码矩阵是对角矩阵，其对角元素是中继节点协作波束形成器加权系数；同时干扰节点向目的节点和窃听节点继续发送干扰信号；在源节点、中继节点和干扰节点功率约束下，优化源节点的功率分配和中继节点协作波束形成器，求取单天线放大转发中继网络的最大安全速率。

权利要求

1.一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述单天线放大转发中继网络包括一个源节点、至少两个中间节点、一个窃听节点以及一个目的节点，所有节点配置单天线；在至少一个中间节点中，选取一个作为干扰节点，剩余中间节点作为中继节点；该单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法包括：第一阶段：源节点向所有中继节点发送私密信息，同时干扰节点向目的节点、窃听节点以及所有中继节点发送干扰信号来保护正在传输的信息；

第二阶段：每个中继节点对第一阶段接收到的信号采用预编码矩阵的对角元素值进行相乘后转发；其中，预编码矩阵是对角矩阵，其对角元素是中继节点协作波束形成器加权系数；同时干扰节点向目的节点和窃听节点继续发送干扰信号；

在源节点、中继节点和干扰节点功率约束下，优化源节点的功率分配和中继节点协作波束形成器，求取单天线放大转发中继网络的最大安全速率；

在优化源节点的功率分配和中继节点协作波束形成器的过程中，设计中继节点协作波束形成器加权系数，使得第一阶段干扰节点发送的干扰信号对目的节点没有影响；

设计使得第一阶段干扰节点发送的干扰信号对目的节点没有影响的中继节点协作波束形成器加权系数之后，还包括设计中继节点协作波束形成器加权系数对窃听节点第二阶段进行破零，使得窃听节点在第二阶段接收不到有用信息；

该方法还包括设计干扰节点在第二阶段不发送干扰信号，最终得到单天线放大转发中继网络的最大安全速率的等价优化问题；该方法包括：将所述等价优化问题分成内层中继节点协作波束形成器优化问题和外层源节点发送功率优化问题；

其中，等价优化问题为：

其中：PR表示所有中间节点的最大发送总功率；Ps是源节点的发送功率；PT是源节点的最大发送功率；σ2为各个节点处的噪声方差；

b＝|fE|2；

ω＝H⊥ν，H⊥是H＝[acf,agh]H零空间的投影矩阵，即HH⊥＝0，满足 ，其中，H⊥的列向量构成了H零空间的一组基，ν就相当于ω在H零空间的一组基下的坐标；

gR,i是信道矢量gR的第i个元素， I是单位阵，Rcc,Rff,

Rhh形式和Rgg一致， Rgh,Rch形式和Rfg一致， 是干扰节点的最大发送功率；fE是源节点到窃听节点的信道，qE是干扰节点到窃听节点的信道，afg是信道矢量fR,gR对应元素乘积构成的新矢量，acf,agh,ach具有类似的形式，ωHafg,ωHacf,ωHagh,ωHach分别代表着源节点到目的节点和窃听节点，干扰节点到目的节点和窃听节点之间的等效信道；

fR是源节点到所有中继节点的信道，hR是干扰节点到所有中继节点的信道；gR,cE分别是所有中继节点到目的节点和窃听节点的信道；预编码矩阵W＝diag(ω*)是对角矩阵，即每个中继节点对第一阶段接到的信号采用预编码矩阵对角元素的值进行相乘后转发，其中ω是中继节点处的波束形成器加权系数；

针对内层中继节点协作波束形成器优化问题，首先对内层中继节点协作波束形成器优化问题做变量代换，然后求解内层中继节点协作波束形成器优化问题的最优解所对应的中继节点协作波束形成器系数；

求解外层源节点发送功率优化问题的解，得到源节点发送功率分配方案，并代入内层中继节点协作波束形成器优化问题的最优解中，最终求得中继节点协作波束形成器的最佳系数；

单天线放大转发中继网络的安全速率是源节点的功率分配的拟凹函数。

2.如权利要求1所述的一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法，其特征在于，利用二分法求解外层源节点发送功率优化问题的解。

3.如权利要求1所述的一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法，其特征在于，所述内层中继节点协作波束形成器优化问题是一个广义瑞利商问题。

说明书

一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线传输技术领域，尤其涉及一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法。

背景技术

[0002] 安全问题是无线通信中的一个基本问题。无线介质的开放性，给安全性带来了更大的挑战。无线通信的物理层安全技术是一项新的无线信号安全传输技术。通过利用无线信道的空时频域所具有的多样性、时变性以及私有性，在信号层面解决通信安全问题，能够极大的提升系统的安全性能。它不依赖于利用密钥加密来实现数据安全传输，通过合理设计信号、分配功率以及调制编码方式，提升信息传输安全。近年来，无线物理层安全得到了学术界的极大关注。

[0003] 协作通信是提升物理层安全的一种非常有效的方式。在协作通信系统里面，通过中继节点的协作，一方面能够增强目的节点的接收信号质量，另一方面能够降低窃听节点的接收信号质量，从而增大主信道和窃听信道互信息的差值，提升系统的安全性能。但是由于中继节点的半双工约束，相较于源节点和目的节点的直接通信，协作通信完成一次通信过程需要两阶段的过程：源节点发送数据到中继节点的广播过程，中继节点转发数据到目的节点的中继过程。在信息传输的两阶段，窃听节点都能够进行窃听，导致比直接通信更多的信息泄露，系统安全面临更多的挑战。已有很多研究都只考虑第二阶段信息传输的安全，从而使得系统安全性能虚高，给实际信息传输过程带来挑战。

[0004] 申请号为201410757033.0的专利“一种多中继多干扰窃听网络中保障物理层安全的方法”中考虑了结合波束成形和人工干扰技术，将中继群组分为中继转发群组和干扰群组。在保证系统自由度最大的情况下，优化中继群组和干扰群组的波束成形向量，并且寻找最佳的发射功率分配方案，得出系统的最大安全容量。首先，该专利没有考虑对源节点发射功率的优化，在源节点发射功率较大时，源节点以最大功率发送一方面会使得源节点和窃听节点之间的速率增加，另一方面，由于中继节点功率的限制，源节点和目的节点之间的速率不会得到提升。此时，由于没有对源节点功率进行优化，源节点以最大功率发送，将会恶化系统安全性能，降低系统安全传输速率。其次，该专利的优化问题目标并不是系统的安全速率，而是在保证目的节点接收速率的前提下，最大化干扰功率。这使得系统安全速率不一定是最优的。

[0005] 申请号为201410797303.0的专利“一种已知窃听端信道信息的多中继物理层安全方法”中考虑已知窃听端信道状态信息的情况下，通过将中继群组分为中继转发群组和干扰群组，在信息传输第一时隙中结合了波束成形和人工干扰技术方法保证信息的有效和安全传输，在第二时隙中利用已知的窃听端信道信息结合波束成形有效的防止窃听端收到信息。在考虑中继功率分配的前提下，优化中继转发群组和干扰群组的波束成形向量，最终得出系统的最大安全容量。首先，该专利没有考虑对源节点发射功率进行优化，这会恶化系统安全性能。其次，在求解系统优化问题的时候，文中采用了一维搜索的方法。一方面，这使得系统的计算复杂度高，另一方面，优化问题的解很大程度上取决于搜索的精度，很多情况下低估了系统的安全性能。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法。本发明针对单天线放大转发中继网络，结合混合协作波束形成和协作干扰的安全传输方案，能够降低计算复杂度并且提高数据传输的安全性能。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法，所述单天线放大转发中继网络包括一个源节点、至少一个中间节点、一个窃听节点以及一个目的节点，所有节点配置单天线；在至少一个中间节点中，选取一个作为干扰节点，剩余中间节点作为中继节点；该单天线放大转发中继网络的物理层安全传输方法包括：

[0009] 第一阶段：源节点向所有中继节点发送私密信息，同时干扰节点向目的节点、窃听节点以及所有中继节点发送干扰信号来保护正在传输的信息；

[0010] 第二阶段：每个中继节点对第一阶段接收到的信号采用预编码矩阵的对角元素值进行相乘后转发；其中，预编码矩阵是对角矩阵，其对角元素是中继节点协作波束形成器加权系数；同时干扰节点向目的节点和窃听节点继续发送干扰信号；

[0011] 在源节点、中继节点和干扰节点功率约束下，优化源节点的功率分配和中继节点协作波束形成器，求取单天线放大转发中继网络的最大安全速率。

[0012] 在优化源节点的功率分配和中继节点协作波束形成器的过程中，设计中继节点协作波束形成器加权系数，使得第一阶段干扰节点发送的干扰信号对目的节点没有影响。

[0013] 设计使得第一阶段干扰节点发送的干扰信号对目的节点没有影响的中继节点协作波束形成器加权系数之后，还包括设计中继节点协作波束形成器加权系数对窃听节点第二阶段进行破零，使得窃听节点在第二阶段接收不到有用信息。

[0014] 该方法还包括设计干扰节点在第二阶段不发送干扰信号，最终得到单天线放大转发中继网络的最大安全速率的等价优化问题。

[0015] 该方法包括：将所述等价优化问题分成内层中继节点协作波束形成器优化问题和外层源节点发送功率优化问题。

[0016] 针对内层中继节点协作波束形成器优化问题，首先对内层中继节点协作波束形成器优化问题做变量代换，然后求解内层中继节点协作波束形成器优化问题的最优解所对应的中继节点协作波束形成器系数。

[0017] 求解外层源节点发送功率优化问题的解，得到源节点发送功率分配方案，并代入内层中继节点协作波束形成器优化问题的最优解中，最终求得中继节点协作波束形成器的最佳系数。

[0018] 利用二分法求解外层源节点发送功率优化问题的解。

[0019] 所述内层中继节点协作波束形成器优化问题是一个广义瑞利商问题。

[0020] 单天线放大转发中继网络的安全速率是化源节点的功率分配的拟凹函数。

[0021] 本发明的有益效果为：

[0022] (1)本发明考虑了联合协作波束形成和协作干扰的安全传输方案，对信息传输的两阶段都进行了保护，并将源节点的发送功率纳入了优化的范围，得到了最优的功率分配，在安全传输的前提下，能够得到最大安全传输速率。

[0023] (2)计算复杂度较低：对于内层优化问题是一个广义瑞利商问题，因而能够得到闭式解。对于外层优化问题，只需要考虑三种情况，两种情况下有闭式解，另一种情况下能够通过二分法有效求解得到，计算复杂度低。

附图说明

[0024] 图1是本发明方法所涉及的系统模型。

[0025] 图2是本发明中采用的联合协作波束形成和协作干扰的安全策略的仿真结果。

[0026] 图3(a)是安全速率和源节点功率约束的变化曲线图。

[0027] 图3(b)是安全速率和中间节点总功率约束的变化曲线图。

[0028] 图4是本发明的混合协作波束形成和协作干扰的物理层安全传输方法流程图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

[0030] 本发明涉及系统模型如图1所示，包括源节点、目的节点、窃听节点、以及N个中间节点。选取其中的一个中间节点作为干扰节点，剩下的N-1个作为中继节点编号为1到N-1。所有节点都配置单天线，工作在半双工模式。其中，N为大于或等于1的正整数。

[0031] 中继节点对接收到的数据进行协作波束形成转发给目的节点。

[0032] 在信息传输的两阶段过程中，干扰节点发送干扰信号对窃听节点进行干扰，同时窃听节点对两阶段的信息都进行窃听。

[0033] 由于引入了干扰节点，对信息传输的两阶段都进行了保护。

[0034] 此外，在第二阶段的传输过程中，中继节点通过协作波束形成器，对窃听节点进行了接收数据破零，窃听节点在第二阶段接收不到有用信息。在中继节点采用同样方法的情况下，在没有第一阶段的协作干扰时，系统的安全性能将大大降低，这个可以从如图2所示的采用的联合协作波束形成和协作干扰的安全策略的仿真结果图中看到。

[0035] 在采用联合协作波束形成和协作干扰的安全传输方案之后，并且中继节点在第二阶段对窃听节点破零时，系统的等效优化问题可以分解为内外两层子问题。

[0036] 如图4所示，本发明的混合协作波束形成和协作干扰的物理层安全传输方法，包括以下步骤：

[0037] 1)第一阶段，源节点向所有中继节点发送私密信息，同时干扰节点发送干扰信号对信息传输进行保护。

[0038] 中继节点和窃听节点在第一阶段接收到的信号分别为：

[0039]

[0040] 其中： 分别是所有中继节点接收信号的矢量表示和窃听节点的接收信号，fR,fE分别是源节点到所有中继节点和窃听节点的信道，hR,qE分别是干扰节点到所有中继节点和窃听节点的信道，Ps是源节点的发送功率， 是干扰节点第一阶段的发送功率，s是源节点发送的私密信号，z(1)是干扰节点第一阶段发送的干扰信号，并且有nR, 分别是中继节点处高斯加性噪声的矢量形式和窃听节点处的高斯加性噪声，各个节点处的噪声彼此独立，均值为0，方差为σ2。

[0041] 2)第二阶段，中继节点将接收到的信号，进行放大转发，预编码矩阵W＝diag(ω*)是对角矩阵，即每个中继节点对第一阶段接到的信号采用预编码矩阵对角元素的值进行相乘后转发，其中ω是中继节点处的波束形成器加权系数。同时，干扰节点在第二阶段继续发送干扰信号，目的节点和窃听节点接收到的信息分别为：

[0042]

[0043]

[0044] 其中 分别是目的节点和窃听节点的接收信号，gR,cE分别是所有中继节点到目的节点和窃听节点的信道，gI是干扰节点到目的节点的信道， 是干扰节点第二阶段的发送功率，z(2)是干扰节点第一阶段发送的干扰信号， 分别是目的节点处和窃听节点处的高斯加性噪声，各个节点处的噪声彼此独立，均值为0、方差为σ2。

[0045] afg是信道矢量fR,gR对应元素乘积构成的新矢量，acf,agh,ach具有类似的形式，ωHafg,ωHacf,ωHagh,ωHach分别代表着源节点到目的节点和窃听节点，干扰节点到目的节点和窃听节点之间的等效信道；

[0046]

[0047] 是目的节点处的等效噪声，是窃听节点处第二阶段的等效噪声。

[0048] 等效的窃听节点接收信息为：

[0049]

[0050] 3)在源节点，中继节点，干扰节点功率约束下，通过优化源节点发送功率，中继节点协作波束形成器以及干扰节点两阶段的功率分配，最大化系统的安全速率，优化问题为：

[0051] Rs＝max[I(yD；s)-I(yE；s)]+

[0052] s.t.ωHT(Ps)ω≤PR,Ps≤PT

[0053]

[0054] 式中：PR表示所有中间节点的最大发送总功率。也就是所有中继节点的发送功率之和不能超过这个值；PT是源节点的最大发送功率，也就是源节点的发送功率不能超过这个值； 是干扰节点的最大发送功率。也就是干扰节点的发送功率不能超过这个值。

[0055]

[0056]

[0057] 其中，I(yE；s)表示源节点发送数据为s，窃听节点接收数据为yE时的互信息，表示经过信道传输过去的信息量，也就是为源节点和窃听节点之间的传输速率；I(yD；s)表示源节点发送数据为s，目的节点接收数据为yD时的互信息，也就是源节点和目的节点之间的传输速率。

[0058]

[0059] Rgg＝diag([|gR,1|2,|gR,2|2,…,|gR,N-1|2])，

[0060] gR,i是信道矢量gR的第i个元素， I是单位阵，Rcc,Rff,Rhh形式和Rgg一致， Rgh,Rch形式和Rfg一致， 分别是源节点，发送节点和干扰节点的最大发送功率，也就是说源节点的发送功率，所有中继节点的发送功率之和，干扰节点的发送功率分别不能超过

[0061] 按照上述的方法，首先需要得到干扰节点功率分配以及简化的中继节点协作波束形成器系数，然后进行最优的功率分配以及波束形成器的设计。

[0062] 首先设计协作节点波束形成器系数，使得第一阶段干扰节点发送的干扰信号对目的节点没有影响，即ωHagh＝0；

[0063] 其次，设计协作节点波束形成器系数对窃听节点第二阶段进行破零，使得窃听节H点在第二阶段接收不到有用信息，即ωacf＝0；

[0064] 最后，由于窃听节点第二阶段接收不到有用信息，设计干扰节点第二阶段不发送干扰信号，即

[0065] 得到安全速率及其功率约束为：

[0066]

[0067] s.t.ωHacf＝0,ωHagh＝0

[0068] ωHT(Ps)ω≤PR,Ps≤PT,

[0069] 系统安全速率是干扰节点第一阶段发送功率的单调递增函数，因此，有[0070] 其中ω＝H⊥ν，H⊥是H＝[acf,agh]H零空间的投影矩阵，即HH⊥＝0，满足其中，H⊥的列向量构成了H零空间的一组基，ν就相当于ω在H零空间的一组基下的坐标，也就是说ν中的每个元素就是ω在各个基上面的投影值。

[0071] 令：

[0072]

[0073]

[0074]

[0075]

[0076]

[0077] b＝|fE|2；

[0078] 则将约束中的等式替换后，可以得到等价的优化问题：

[0079]

[0080]

[0081] 对该优化问题采用先求取内层优化问题，即分子上关于ν的优化问题，然后求解外层关于Ps的优化问题，其步骤为：首先对内层优化问题做变量代换，令其中A(Ps)是一个Hermitian矩阵，满足

[0082] 对应的内层优化问题为：

[0083]

[0084]

[0085] 其中是两个临时过渡变量。

[0086] 上述优化问题的解为

[0087]

[0088] 其中 是最优解，对应的中继节点协作波束形成器系数为

[0089]

[0090] 其中ωo是最优解， 是矢量的二范数。对应外层优化问题为：

[0091]

[0092] s.t.0≤Ps≤PT

[0093] 其中：h(Ps)＝Psf(Ps)＝PRPshHJ(Ps)h，

[0094]

[0095]

[0096] 令m(Ps)＝(a+bPs)h′(Ps)-bσ2-bh(Ps)，

[0097] 其中 是函数h(Ps)关于Ps的一阶导数，J2(Ps)＝J(Ps)J(Ps)，源节点最优功率分配Ps有如下三种情况：

[0098] (1)当m(0)≤0时，最优的功率分配 其中 是最优解。

[0099] (2)当m(PT)≥0时，最优的功率分配

[0100] (3)当m(0)＞0并且m(PT)＜0时，最优的功率分配为 其中Pc是使得m(Ps)为0的唯一实根，可以利用二分法求解得到数值解。

[0101] 最优的功率分配只有这三种情况，在求得最优的源节点功率分配之后，可以代入内层优化问题的最优解里面，求得中继节点协作波束形成器系数。从图3(a)和图3(b)可以看到，系统安全速率是源节点发送功率的拟凹函数，也就是说，源节点以最大发送功率发送并不一定是安全最优的。

[0102] 本发明提出了一种混合协作波束形成和协作干扰的物理层安全传输方法，在多个中间节点里面选取了一个作为干扰节点，在信息传输两阶段的过程中，发送干扰信号对窃听节点进行干扰，保护私密信息的传输。原始最大可达安全速率的优化问题是非凸的，通过对原始问题做一些直观的近似，得到关于源节点发送功率和中继节点协作波束形成器系数的内外两层优化问题。内层中继节点波束形成器的优化问题是一个广义瑞利商问题，能够得到闭式表达式。外层优化问题表明，系统安全速率是发送功率的拟凹函数，源节点以最大功率发送并不一定是最优的，通过二分法能够有效的求解得到最优的发送功率。本发明考虑了联合协作波束形成和协作干扰方案提升系统安全性能，在一些简化下，能够得到安全优化问题的最优解；计算复杂度低。

[0103] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。