本發(fā)明屬于無線傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的物理層安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

安全問題是無線通信中的一個基本問題。無線介質(zhì)的開放性，給安全性帶來了更大的挑戰(zhàn)。無線通信的物理層安全技術(shù)是一項新的無線信號安全傳輸技術(shù)。通過利用無線信道的空時頻域所具有的多樣性、時變性以及私有性，在信號層面解決通信安全問題，能夠極大的提升系統(tǒng)的安全性能。它不依賴于利用密鑰加密來實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸，通過合理設(shè)計信號、分配功率以及調(diào)制編碼方式，提升信息傳輸安全。近年來，無線物理層安全得到了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。

協(xié)作通信是提升物理層安全的一種非常有效的方式。在協(xié)作通信系統(tǒng)里面，通過中繼節(jié)點的協(xié)作，一方面能夠增強目的節(jié)點的接收信號質(zhì)量，另一方面能夠降低竊聽節(jié)點的接收信號質(zhì)量，從而增大主信道和竊聽信道互信息的差值，提升系統(tǒng)的安全性能。但是由于中繼節(jié)點的半雙工約束，相較于源節(jié)點和目的節(jié)點的直接通信，協(xié)作通信完成一次通信過程需要兩階段的過程：源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到中繼節(jié)點的廣播過程，中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目的節(jié)點的中繼過程。在信息傳輸?shù)膬呻A段，竊聽節(jié)點都能夠進行竊聽，導(dǎo)致比直接通信更多的信息泄露，系統(tǒng)安全面臨更多的挑戰(zhàn)。已有很多研究都只考慮第二階段信息傳輸?shù)陌踩瑥亩沟孟到y(tǒng)安全性能虛高，給實際信息傳輸過程帶來挑戰(zhàn)。

申請?zhí)枮?01410757033.0的專利“一種多中繼多干擾竊聽網(wǎng)絡(luò)中保障物理層安全的方法”中考慮了結(jié)合波束成形和人工干擾技術(shù)，將中繼群組分為中繼轉(zhuǎn)發(fā)群組和干擾群組。在保證系統(tǒng)自由度最大的情況下，優(yōu)化中繼群組和干擾群組的波束成形向量，并且尋找最佳的發(fā)射功率分配方案，得出系統(tǒng)的最大安全容量。首先，該專利沒有考慮對源節(jié)點發(fā)射功率的優(yōu)化，在源節(jié)點發(fā)射功率較大時，源節(jié)點以最大功率發(fā)送一方面會使得源節(jié)點和竊聽節(jié)點之間的速率增加，另一方面，由于中繼節(jié)點功率的限制，源節(jié)點和目的節(jié)點之間的速率不會得到提升。此時，由于沒有對源節(jié)點功率進行優(yōu)化，源節(jié)點以最大功率發(fā)送，將會惡化系統(tǒng)安全性能，降低系統(tǒng)安全傳輸速率。其次，該專利的優(yōu)化問題目標并不是系統(tǒng)的安全速率，而是在保證目的節(jié)點接收速率的前提下，最大化干擾功率。這使得系統(tǒng)安全速率不一定是最優(yōu)的。

申請?zhí)枮?01410797303.0的專利“一種已知竊聽端信道信息的多中繼物理層安全方法”中考慮已知竊聽端信道狀態(tài)信息的情況下，通過將中繼群組分為中繼轉(zhuǎn)發(fā)群組和干擾群組，在信息傳輸?shù)谝粫r隙中結(jié)合了波束成形和人工干擾技術(shù)方法保證信息的有效和安全傳輸，在第二時隙中利用已知的竊聽端信道信息結(jié)合波束成形有效的防止竊聽端收到信息。在考慮中繼功率分配的前提下，優(yōu)化中繼轉(zhuǎn)發(fā)群組和干擾群組的波束成形向量，最終得出系統(tǒng)的最大安全容量。首先，該專利沒有考慮對源節(jié)點發(fā)射功率進行優(yōu)化，這會惡化系統(tǒng)安全性能。其次，在求解系統(tǒng)優(yōu)化問題的時候，文中采用了一維搜索的方法。一方面，這使得系統(tǒng)的計算復(fù)雜度高，另一方面，優(yōu)化問題的解很大程度上取決于搜索的精度，很多情況下低估了系統(tǒng)的安全性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的物理層安全傳輸方法。本發(fā)明針對單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合混合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的安全傳輸方案，能夠降低計算復(fù)雜度并且提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅堋?/p>

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的物理層安全傳輸方法，所述單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)包括一個源節(jié)點、至少一個中間節(jié)點、一個竊聽節(jié)點以及一個目的節(jié)點，所有節(jié)點配置單天線；在至少一個中間節(jié)點中，選取一個作為干擾節(jié)點，剩余中間節(jié)點作為中繼節(jié)點；該單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的物理層安全傳輸方法包括：

第一階段：源節(jié)點向所有中繼節(jié)點發(fā)送私密信息，同時干擾節(jié)點向目的節(jié)點、竊聽節(jié)點以及所有中繼節(jié)點發(fā)送干擾信號來保護正在傳輸?shù)男畔ⅲ?/p>

第二階段：每個中繼節(jié)點對第一階段接收到的信號采用預(yù)編碼矩陣的對角元素值進行相乘后轉(zhuǎn)發(fā)；其中，預(yù)編碼矩陣是對角矩陣，其對角元素是中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器加權(quán)系數(shù)；同時干擾節(jié)點向目的節(jié)點和竊聽節(jié)點繼續(xù)發(fā)送干擾信號；

在源節(jié)點、中繼節(jié)點和干擾節(jié)點功率約束下，優(yōu)化源節(jié)點的功率分配和中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器，求取單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的最大安全速率。

在優(yōu)化源節(jié)點的功率分配和中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器的過程中，設(shè)計中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器加權(quán)系數(shù)，使得第一階段干擾節(jié)點發(fā)送的干擾信號對目的節(jié)點沒有影響。

設(shè)計使得第一階段干擾節(jié)點發(fā)送的干擾信號對目的節(jié)點沒有影響的中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器加權(quán)系數(shù)之后，還包括設(shè)計中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器加權(quán)系數(shù)對竊聽節(jié)點第二階段進行破零，使得竊聽節(jié)點在第二階段接收不到有用信息。

該方法還包括設(shè)計干擾節(jié)點在第二階段不發(fā)送干擾信號，最終得到單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的最大安全速率的等價優(yōu)化問題。

該方法包括：將所述等價優(yōu)化問題分成內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題和外層源節(jié)點發(fā)送功率優(yōu)化問題。

針對內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題，首先對內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題做變量代換，然后求解內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題的最優(yōu)解所對應(yīng)的中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器系數(shù)。

求解外層源節(jié)點發(fā)送功率優(yōu)化問題的解，得到源節(jié)點發(fā)送功率分配方案，并代入內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題的最優(yōu)解中，最終求得中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器的最佳系數(shù)。

利用二分法求解外層源節(jié)點發(fā)送功率優(yōu)化問題的解。

所述內(nèi)層中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器優(yōu)化問題是一個廣義瑞利商問題。

單天線放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的安全速率是化源節(jié)點的功率分配的擬凹函數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明考慮了聯(lián)合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的安全傳輸方案，對信息傳輸?shù)膬呻A段都進行了保護，并將源節(jié)點的發(fā)送功率納入了優(yōu)化的范圍，得到了最優(yōu)的功率分配，在安全傳輸?shù)那疤嵯拢軌虻玫阶畲蟀踩珎鬏斔俾省?/p>

(2)計算復(fù)雜度較低：對于內(nèi)層優(yōu)化問題是一個廣義瑞利商問題，因而能夠得到閉式解。對于外層優(yōu)化問題，只需要考慮三種情況，兩種情況下有閉式解，另一種情況下能夠通過二分法有效求解得到，計算復(fù)雜度低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法所涉及的系統(tǒng)模型。

圖2是本發(fā)明中采用的聯(lián)合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的安全策略的仿真結(jié)果。

圖3(a)是安全速率和源節(jié)點功率約束的變化曲線圖。

圖3(b)是安全速率和中間節(jié)點總功率約束的變化曲線圖。

圖4是本發(fā)明的混合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的物理層安全傳輸方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明：

本發(fā)明涉及系統(tǒng)模型如圖1所示，包括源節(jié)點、目的節(jié)點、竊聽節(jié)點、以及N個中間節(jié)點。選取其中的一個中間節(jié)點作為干擾節(jié)點，剩下的N-1個作為中繼節(jié)點編號為1到N-1。所有節(jié)點都配置單天線，工作在半雙工模式。其中，N為大于或等于1的正整數(shù)。

中繼節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)進行協(xié)作波束形成轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。

在信息傳輸?shù)膬呻A段過程中，干擾節(jié)點發(fā)送干擾信號對竊聽節(jié)點進行干擾，同時竊聽節(jié)點對兩階段的信息都進行竊聽。

由于引入了干擾節(jié)點，對信息傳輸?shù)膬呻A段都進行了保護。

此外，在第二階段的傳輸過程中，中繼節(jié)點通過協(xié)作波束形成器，對竊聽節(jié)點進行了接收數(shù)據(jù)破零，竊聽節(jié)點在第二階段接收不到有用信息。在中繼節(jié)點采用同樣方法的情況下，在沒有第一階段的協(xié)作干擾時，系統(tǒng)的安全性能將大大降低，這個可以從如圖2所示的采用的聯(lián)合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的安全策略的仿真結(jié)果圖中看到。

在采用聯(lián)合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的安全傳輸方案之后，并且中繼節(jié)點在第二階段對竊聽節(jié)點破零時，系統(tǒng)的等效優(yōu)化問題可以分解為內(nèi)外兩層子問題。

如圖4所示，本發(fā)明的混合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的物理層安全傳輸方法，包括以下步驟：

1)第一階段，源節(jié)點向所有中繼節(jié)點發(fā)送私密信息，同時干擾節(jié)點發(fā)送干擾信號對信息傳輸進行保護。

中繼節(jié)點和竊聽節(jié)點在第一階段接收到的信號分別為：

其中：分別是所有中繼節(jié)點接收信號的矢量表示和竊聽節(jié)點的接收信號，f_R,f_E分別是源節(jié)點到所有中繼節(jié)點和竊聽節(jié)點的信道，h_R,q_E分別是干擾節(jié)點到所有中繼節(jié)點和竊聽節(jié)點的信道，P_s是源節(jié)點的發(fā)送功率，是干擾節(jié)點第一階段的發(fā)送功率，s是源節(jié)點發(fā)送的私密信號，z⁽¹⁾是干擾節(jié)點第一階段發(fā)送的干擾信號，并且有n_R,分別是中繼節(jié)點處高斯加性噪聲的矢量形式和竊聽節(jié)點處的高斯加性噪聲，各個節(jié)點處的噪聲彼此獨立，均值為0，方差為σ²。

2)第二階段，中繼節(jié)點將接收到的信號，進行放大轉(zhuǎn)發(fā)，預(yù)編碼矩陣W＝diag(ω^*)是對角矩陣，即每個中繼節(jié)點對第一階段接到的信號采用預(yù)編碼矩陣對角元素的值進行相乘后轉(zhuǎn)發(fā)，其中ω是中繼節(jié)點處的波束形成器加權(quán)系數(shù)。同時，干擾節(jié)點在第二階段繼續(xù)發(fā)送干擾信號，目的節(jié)點和竊聽節(jié)點接收到的信息分別為：

其中分別是目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的接收信號，g_R,c_E分別是所有中繼節(jié)點到目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的信道，g_I是干擾節(jié)點到目的節(jié)點的信道，是干擾節(jié)點第二階段的發(fā)送功率，z⁽²⁾是干擾節(jié)點第一階段發(fā)送的干擾信號，分別是目的節(jié)點處和竊聽節(jié)點處的高斯加性噪聲，各個節(jié)點處的噪聲彼此獨立，均值為0、方差為σ²。

a_fg是信道矢量f_R,g_R對應(yīng)元素乘積構(gòu)成的新矢量，a_cf,a_gh,a_ch具有類似的形式，ω^Ha_fg,ω^Ha_cf,ω^Ha_gh,ω^Ha_ch分別代表著源節(jié)點到目的節(jié)點和竊聽節(jié)點，干擾節(jié)點到目的節(jié)點和竊聽節(jié)點之間的等效信道；

是目的節(jié)點處的等效噪聲，是竊聽節(jié)點處第二階段的等效噪聲。

等效的竊聽節(jié)點接收信息為：

3)在源節(jié)點，中繼節(jié)點，干擾節(jié)點功率約束下，通過優(yōu)化源節(jié)點發(fā)送功率，中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器以及干擾節(jié)點兩階段的功率分配，最大化系統(tǒng)的安全速率，優(yōu)化問題為：

R_s＝max[I(y_D；s)-I(y_E；s)]⁺

s.t.ω^HT(P_s)ω≤P_R,P_s≤P_T

式中：P_R表示所有中間節(jié)點的最大發(fā)送總功率。也就是所有中繼節(jié)點的發(fā)送功率之和不能超過這個值；P_T是源節(jié)點的最大發(fā)送功率，也就是源節(jié)點的發(fā)送功率不能超過這個值；是干擾節(jié)點的最大發(fā)送功率。也就是干擾節(jié)點的發(fā)送功率不能超過這個值。

其中，I(y_E；s)表示源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)為s，竊聽節(jié)點接收數(shù)據(jù)為y_E時的互信息，表示經(jīng)過信道傳輸過去的信息量，也就是為源節(jié)點和竊聽節(jié)點之間的傳輸速率；I(y_D；s)表示源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)為s，目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)為y_D時的互信息，也就是源節(jié)點和目的節(jié)點之間的傳輸速率。

R_gg＝diag([|g_R,1|²,|g_R,2|²,…,|g_R,N-1|²])，

g_R,i是信道矢量g_R的第i個元素，I是單位陣，R_cc,R_ff,R_hh形式和R_gg一致，R_gh,R_ch形式和R_fg一致，分別是源節(jié)點，發(fā)送節(jié)點和干擾節(jié)點的最大發(fā)送功率，也就是說源節(jié)點的發(fā)送功率，所有中繼節(jié)點的發(fā)送功率之和，干擾節(jié)點的發(fā)送功率分別不能超過

按照上述的方法，首先需要得到干擾節(jié)點功率分配以及簡化的中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器系數(shù)，然后進行最優(yōu)的功率分配以及波束形成器的設(shè)計。

首先設(shè)計協(xié)作節(jié)點波束形成器系數(shù)，使得第一階段干擾節(jié)點發(fā)送的干擾信號對目的節(jié)點沒有影響，即ω^Ha_gh＝0；

其次，設(shè)計協(xié)作節(jié)點波束形成器系數(shù)對竊聽節(jié)點第二階段進行破零，使得竊聽節(jié)點在第二階段接收不到有用信息，即ω^Ha_cf＝0；

最后，由于竊聽節(jié)點第二階段接收不到有用信息，設(shè)計干擾節(jié)點第二階段不發(fā)送干擾信號，即

得到安全速率及其功率約束為：

s.t.ω^Ha_cf＝0,ω^Ha_gh＝0

ω^HT(P_s)ω≤P_R,P_s≤P_T,

系統(tǒng)安全速率是干擾節(jié)點第一階段發(fā)送功率的單調(diào)遞增函數(shù)，因此，有

其中ω＝H_⊥ν，H_⊥是H＝[a_cf,a_gh]^H零空間的投影矩陣，即HH_⊥＝0，滿足其中，H_⊥的列向量構(gòu)成了H零空間的一組基，ν就相當(dāng)于ω在H零空間的一組基下的坐標，也就是說ν中的每個元素就是ω在各個基上面的投影值。

令：

b＝|f_E|²；

則將約束中的等式替換后，可以得到等價的優(yōu)化問題：

對該優(yōu)化問題采用先求取內(nèi)層優(yōu)化問題，即分子上關(guān)于ν的優(yōu)化問題，然后求解外層關(guān)于P_s的優(yōu)化問題，其步驟為：首先對內(nèi)層優(yōu)化問題做變量代換，令其中A(P_s)是一個Hermitian矩陣，滿足

對應(yīng)的內(nèi)層優(yōu)化問題為：

其中是兩個臨時過渡變量。

上述優(yōu)化問題的解為

其中是最優(yōu)解，對應(yīng)的中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器系數(shù)為

其中ω^o是最優(yōu)解，是矢量的二范數(shù)。對應(yīng)外層優(yōu)化問題為：

s.t.0≤P_s≤P_T

其中：h(P_s)＝P_sf(P_s)＝P_RP_sh^HJ(P_s)h，

令m(P_s)＝(a+bP_s)h′(P_s)-bσ²-bh(P_s)，

其中是函數(shù)h(P_s)關(guān)于P_s的一階導(dǎo)數(shù)，J²(P_s)＝J(P_s)J(P_s)，源節(jié)點最優(yōu)功率分配P_s有如下三種情況：

(1)當(dāng)m(0)≤0時，最優(yōu)的功率分配其中是最優(yōu)解。

(2)當(dāng)m(P_T)≥0時，最優(yōu)的功率分配

(3)當(dāng)m(0)＞0并且m(P_T)＜0時，最優(yōu)的功率分配為其中P_c是使得m(P_s)為0的唯一實根，可以利用二分法求解得到數(shù)值解。

最優(yōu)的功率分配只有這三種情況，在求得最優(yōu)的源節(jié)點功率分配之后，可以代入內(nèi)層優(yōu)化問題的最優(yōu)解里面，求得中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器系數(shù)。從圖3(a)和圖3(b)可以看到，系統(tǒng)安全速率是源節(jié)點發(fā)送功率的擬凹函數(shù)，也就是說，源節(jié)點以最大發(fā)送功率發(fā)送并不一定是安全最優(yōu)的。

本發(fā)明提出了一種混合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾的物理層安全傳輸方法，在多個中間節(jié)點里面選取了一個作為干擾節(jié)點，在信息傳輸兩階段的過程中，發(fā)送干擾信號對竊聽節(jié)點進行干擾，保護私密信息的傳輸。原始最大可達安全速率的優(yōu)化問題是非凸的，通過對原始問題做一些直觀的近似，得到關(guān)于源節(jié)點發(fā)送功率和中繼節(jié)點協(xié)作波束形成器系數(shù)的內(nèi)外兩層優(yōu)化問題。內(nèi)層中繼節(jié)點波束形成器的優(yōu)化問題是一個廣義瑞利商問題，能夠得到閉式表達式。外層優(yōu)化問題表明，系統(tǒng)安全速率是發(fā)送功率的擬凹函數(shù)，源節(jié)點以最大功率發(fā)送并不一定是最優(yōu)的，通過二分法能夠有效的求解得到最優(yōu)的發(fā)送功率。本發(fā)明考慮了聯(lián)合協(xié)作波束形成和協(xié)作干擾方案提升系統(tǒng)安全性能，在一些簡化下，能夠得到安全優(yōu)化問題的最優(yōu)解；計算復(fù)雜度低。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。