主信道非理想信道估計條件下基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種主信道非理想信道估計條件下基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法。本發(fā)明通過加入?yún)f(xié)作干擾器機發(fā)送干擾信號建立協(xié)作關系，協(xié)作干擾機利用理想信道估計方法估計得到的信道狀態(tài)信息設計干擾信號，發(fā)揮干擾作用；發(fā)射源按理想信道估計條件下優(yōu)化得到的最優(yōu)功率分配比設計發(fā)射信號，經(jīng)過存在估計誤差的信道后系統(tǒng)達到的安全傳輸速率，比較該安全傳輸速率與理想信道估計條件下系統(tǒng)安全速率的差距，驗證考慮主信道信道估計存在誤差的重要性，提出更可靠，更實際的功率分配方案。
【專利說明】
主信道非理想信道估計條件下基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功 率分配方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于信息技術安全領域，尤其涉及一種主信道非理想信道估計條件下基于 人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法。
【背景技術】
[0002] 無線媒介的廣播特性導致無線通信面臨特別容易被竊聽的安全威脅，給無線系統(tǒng) 設計帶來巨大挑戰(zhàn)。在無線環(huán)境下實現(xiàn)安全可靠的通信已經(jīng)成為一個關鍵問題。傳統(tǒng)的安 全問題是通過基于網(wǎng)絡安全協(xié)議的上層加密技術解決的。這些方法在密鑰分配和管理的過 程依然存在漏洞。同時，隨著計算機的計算能力不斷增強，已有的安全加密算法面臨被破解 的風險。在此背景下，通過探索無線信道的唯一的物理性能，物理層安全可以支持高度安全 的傳輸，并且被確定為加密技術的重要補充。首先，Wyner等人在1975年提出的wire-tap信 道模型奠定了物理層安全傳輸?shù)幕A，證明了利用無線信道的物理特性可以實現(xiàn)保密消息 的安全傳輸。當主通信信道(定義為發(fā)射源到合法接收者的信道)比竊聽信道(定義為發(fā)射 源到竊聽者的信道)具有更高的可靠性的時候，合法接收者可以實現(xiàn)可靠解碼，而竊聽者無 法進行可靠解碼。在目前的研究中，通常利用信號處理技術改變主信道和竊聽信道質(zhì)量從 而實現(xiàn)物理層安全傳輸。
[0003] 在傳輸保密消息的過程中，常用的信號處理技術包括安全預編碼（Secrecy Precoding)和安全波束成形（Secrecy Beamforming)，主要的思想是沿著特定的空間維度 發(fā)射有用信號，最大化主信道和竊聽信道的信道質(zhì)量差別，從而實現(xiàn)最大的安全容量 (Secrecy Capacity) 〇例如《Outage Constrained Secrecy Rate Maximization Using Artificial-Noise Aided Beamforming and Cooperative Jamming》石開究了基于人工噪聲 輔助波束成形的協(xié)作干擾模型在中斷概率約束下，最大化安全速率的優(yōu)化問題。然而，目前 的安全傳輸設計主要基于可以得到信道狀態(tài)信息(Channel State Information,CSI)的理 想信道估計的假設。然而在實際的應用中，該假設并不合理。
[0004]針對主信道是非理想信道估計的情況，考慮與實際信道存在誤差的估計得到的信 道設計的人工噪聲向量會對合法接收者產(chǎn)生不可避免的影響，這會導致合法接收者的信干 噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)降低。因此，在考慮主信道是非 理想信道估計的情況下研究有用信號和人工噪聲信號之間合理功率分配對系統(tǒng)實際安全 性能有重要的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種主信道非理想信道估計條件下 基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法，通過加入?yún)f(xié)作干擾器機發(fā)送干擾信號建立協(xié)作 關系，協(xié)作干擾機利用理想信道估計方法估計得到的信道狀態(tài)信息設計干擾信號，發(fā)揮干 擾作用;發(fā)射源按理想信道估計條件下優(yōu)化得到的最優(yōu)功率分配比設計發(fā)射信號，經(jīng)過存 在估計誤差的信道后系統(tǒng)達到的安全傳輸速率，比較該安全傳輸速率與理想信道估計條件 下系統(tǒng)安全速率的差距，驗證考慮主信道信道估計存在誤差的重要性，提出更可靠，更實際 的功率分配方案。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：主信道非理想信道估計條件下基于 人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法，它包括以下步驟：
[0007] SI:合法接收端同時向發(fā)射源發(fā)射端和協(xié)作干擾機發(fā)送導頻序列，所述導頻序列 經(jīng)過發(fā)射端到合法接收端的實際信道h b'，同時經(jīng)過協(xié)作干擾機到合法接收端的實際信道 hbc ；
[0008] S2:發(fā)射端接收所述導頻序列并做非理想信道估計得到非理想信道hb，即hb = hb' + Sb;協(xié)作干擾機接收導頻序列并做理想信道估計得到理想信道hb。，即hbc； = hb。'，記 4~CiV(ao^)，其中σ?'代表隨機向量的協(xié)方差矩陣；
[0009] S3:發(fā)射端利用信道矩陣hb設計發(fā)射信號s并發(fā)射，協(xié)作干擾機分別利用信道矩陣 hb。設計發(fā)射信號s。并發(fā)射，發(fā)射信號s、s。分別經(jīng)過hb '、hb。'到達合法接收端，同時發(fā)射信號 s、Sc分別經(jīng)過竊聽信道he、he。到達竊聽端；
[0010] S4:合法接收端接收信號為yb并計算信干噪比，表示為丫"巾），根據(jù)發(fā)射信號的設 計原則可知=0，簡化表達式，合法接收端的接收信號表示為
[0011]
[0012 ]其中，nb，ne~CN( 0，1)分另Ij代表噪聲對合法接收端和竊聽端的影響;發(fā)射端發(fā)射信 號s中的人工噪聲信號部分應對合法接收端沒有任何影響，故滿足：
[0013]
[0014] 其中，？3表示發(fā)送端的發(fā)送功率約束；Φ e[0，l]表示?3的功率分配比;X~CN(0，1) 和分別表示高斯碼本的數(shù)據(jù)信號和高斯噪聲向量，并且是相互獨立的；等式右 邊第一項表示信息軸方向的信號，其
第二項表示人工噪聲向量，其中
的列向量構成的零空間的標準正交基；
[0015] 干擾機端發(fā)射信號s。也應對合法接收機沒有任何影響，即/〇,.= 0，所以s。表示為
[0016]
[0017] 其中Pc表示CJ的發(fā)送功率約束；W的列向量形成了紀的零空間的標準正交基； z~GV((U.、._ ,)表示一個高斯噪聲向量；
[0018] 合法接收端的信干燥比SINR可以表示成
[0019]
[0020] 已失
的列向量構成/if的零空間的標準正交基，從 而得i
，故
[0021]
[0022] 由于系統(tǒng)只知道竊聽信道的統(tǒng)計信息，竊聽端的接收信號和信干噪比仍為理想信 道估計條件下的結果，分別為：
[0023]
[0024]
[0025] 要實現(xiàn)安全中斷容量最大化，該優(yōu)化問題可以等價為一個功率分配問題，描述如 下：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中γ =Pa| |hb| |2，RS表示安全傳輸速率，ε表示安全中斷概率約束，Cb = log2(l + yb( Φ ))表不主信道的信道容量，//二2~ & -1表不和中斷概率有關的閾值；
[0030] 求解安全中斷概率約束為：
>〇，則功率分配問題的公式就表示成：
[0031]
[0032] 是一個關于Φ的隱函數(shù)，且顯然ω(φ)
[0033]
[0034] S5:計算理想信道估計條件下發(fā)射端發(fā)射功率的最優(yōu)分配比Φ*，以及該功率分配 比時的最大安全傳輸速率R/;
[0035] S6:按理想信道估計條件下最優(yōu)功率分配比Φ*設計發(fā)送信號，并計算該發(fā)送信號 經(jīng)過與估計信道存在估計誤差的實際信道時系統(tǒng)達到的安全傳輸速率Rs'，即將理想信道 估計條件下的Φ *代入公式步驟S4中的最后一個公式得到Rs' =RS( Φ *)。
[0036] S7:比較Rs，與Rs*，得出結論。
[0037]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種主信道非理想信道估計條件下基于人工 噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法，充分考慮了 Alice對主信道存在誤差的估計會導致以估 計信道設計的發(fā)送信號中人工噪聲向量嚴重干擾Bob接收有效信號，從而降低系統(tǒng)安全傳 輸速率的情況。Alice按理想信道估計條件下安全傳輸速率極大化得到的最優(yōu)功率分配比 設計發(fā)射信號，發(fā)射信號經(jīng)過與估計信道存在估計誤差的實際信道后系統(tǒng)達到的安全傳輸 速率，比較該安全傳輸速率與理想信道估計條件下系統(tǒng)安全速率，驗證考慮主信道估計誤 差的重要性，并找到一個設計成本低、安全效益高的發(fā)射功率分配方案。
【附圖說明】
[0038]圖1為理想信道估計條件下協(xié)作方案流程圖。
[0039]圖2為非理想信道估計條件下協(xié)作方案流程。
[0040]圖3為理想信道估計條件下協(xié)作網(wǎng)絡中的傳輸模型。
[0041 ]圖4為協(xié)作網(wǎng)絡中Alice到Bob間信道存在估計誤差的傳輸模型。
[0042]圖5為Alice到Bob間信道存在誤差估計與完全理想信道估計模型的安全速率的比 較圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖進一步詳細描述本發(fā)明的技術方案：
[0044] 主信道非理想信道估計條件下基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法，如圖3 所示，假設合法通信雙方的發(fā)射源為Al i ce，合法接收者為Bob，竊聽者為Eve，協(xié)作干擾機為 CJ，將Al ice與Bob之間的通信信道稱為主信道，CJ與Bob之間的信道稱為協(xié)作信道。
[0045] Alice結合非理想信道估計方法得到的主信道信息設計發(fā)送信號，在有用信號和 人工噪聲信號之間進行最優(yōu)功率分配，同時CJ結合理想信道估計的協(xié)作信道信息設計干擾 信號，Alice發(fā)送的人工噪聲和CJ發(fā)射的干擾的作用都是在不影響B(tài)ob的接收的同時干擾 Eve從而降低Eve端接收的信噪比，使系統(tǒng)安全速率達到最大，實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡中保密消息 最有效的安全傳輸。
[0046] 假設Al ice和CJ分別有Na、Nc條天線，而Bob和Eve僅有單根天線，設主信道用 /? e 表示，CJ到Bob之間的信道用e C5表示;假設Al ice和CJ僅知道竊聽節(jié)點Eve的信 道統(tǒng)計信息，Alice和CJ到Eve的竊聽信道分別表示為
，其中he和hec相互 獨立，均服從零均值循環(huán)對稱復高斯分布。Alice向Bob發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，為了阻止Eve竊聽 到有用信息，Alice的發(fā)送信號需要進行有用信號和人工噪聲AN信號之間的功率分配，同時 CJ發(fā)射干擾信號。
[0047]首先，考慮理想信道估計條件下的最優(yōu)功率分配比及最大安全傳輸速率。如圖1所 示
[0048] Alice和CJ分別對主信道和協(xié)作信道都做理想信道估計得到估計信道信息，并以 此設計發(fā)射信號，分別表示為seCi和& eCA;，Bob和Eve的接收信號分別表示為
[0049]
[0050]
[00511 其中，nb，ne~CN(0，1)分別代表噪聲對Bob和Eve的影響。Alice發(fā)射信號s中的人工 噪聲AN信號部分應對Bob沒有任何影響，故滿足：
[0052]
[0053] 其中，Pa表示發(fā)送端Alice的發(fā)送功率約束；Φ e[0，l]表示?3的功率分配比;X~CN (0>1)和"~C/V(0,1A J分別表示高斯碼本的數(shù)據(jù)信號和高斯噪聲向量，并且是相互獨立 的。等式右邊第一項表示信息軸方向的信號，其中
第二項表示人工噪聲向量，其中 的列向量構成 < 的零空間的標準正交基。
[0054] CJ端發(fā)射信號Sc也應對Bob沒有任何影響，即= 0。所以Sc表示為
[0055]
[0056] 其中Pc表示CJ的發(fā)送功率約束；W的列向量形成了的零空間的標準正交基； Z~C.7V((U、，)表示一個高斯噪聲向量。
[0057]理想信道估計的條件下，Bob和Eve的信干燥比可以表示成
[0058]
[0059]
[0060] 要實現(xiàn)安全中斷容量最大化，該優(yōu)化問題可以等價為一個功率分配問題，描述如 下：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 其中γ =Pa| |hb| |2，RS表示安全傳輸速率，ε表示安全中斷概率約束，Cb = log2(l + Yb( Φ ))表示主信道的信道容量，// = 2^4 -1表示和中斷概率有關的閾值。
[0065] 求解安全中斷概率約束為
[0066]
[0067] '出ω是一個關于φ的隱函數(shù)，且顯 然ω ( φ )>〇。則公式⑴就可以表示成
[0068]
[0069]由于ω ( φ )不能表示成閉型，用數(shù)值分析方法求解公式(9)的最優(yōu)功率分配比Φ* 及最大安全傳輸速率R/。
[0070] 本發(fā)明的具體流程如圖2所示：
[0071] SI: Bob發(fā)送導頻序列，導頻序列分別經(jīng)過實際主信道hb'和實際協(xié)作信道hb。'到達 Alice和CJ0
[0072] S2: Al ice接收導頻序列并做非理想信道估計得到hb，即hb = hb'+Sb; CJ接收導頻序 列并做理想信道估計得到hb。，_
代表隨機向量的協(xié)方 差矩陣。
[0073] S3:Alice利用hb設計發(fā)射信號s并發(fā)射，CJ利用hb。設計發(fā)射信號s。并發(fā)射，s、s。分 別經(jīng)過實際信道hb '、hb。'到達Bob，同時s、s。分別經(jīng)過竊聽信道he、he。到達Eve。
[0074] S4:Bob接收信號為yb并計算SINR，表示為yb( Φ )，根據(jù)發(fā)射信號的設計原則可知 〇 =0,簡化表達式，Bob的接收信號表示為
[0075]
[0076] Bob的信干燥比SINR可以表示成
[0077]
[0078] 已知4 ~<^ν(0，σΙ&)且乂 "的列向量構成的零空間的標準正交基，從
而得：
[0079
[0080]由于，該系統(tǒng)只知道竊聽信道的統(tǒng)計信息，Eve的接收信號和SINR均不變，仍為公 式(2)和(6)。而安全中斷概率約束只與竊聽信道相關，故安全中斷約束條件不變。因此，安 全中斷概率約束下的系統(tǒng)安全速率關于發(fā)射信號的功率分配比的關系表示為
[0081]
[0082] S5:計算理想信道估計條件下Alice發(fā)射功率的最優(yōu)分配比Φ*，以及該功率分配 比時的最大安全傳輸速率R/。
[0083] S6:按理想信道估計條件下最優(yōu)功率分配比Φ*設計發(fā)送信號，并計算該發(fā)送信號 經(jīng)過與估計信道存在估計誤差的實際信道時系統(tǒng)達到的安全傳輸速率Rs'，即將理想信道 估計條件下的Φ *代入公式（13)得到Rs ' = Rs ( Φ *)。
[0084] S7:比較Rs，與Rs*，得出結論。
[0085]所述的步驟S2中考慮到的信道估計存在誤差的情況，Alice接收導頻序列并做非 理想信道估計得到hb，即hb = hb'+Sb;CJ接收導頻序列并做理想信道估計得到hb。，即hbc = hb。'，其中4~CMAcrl、.），σΙ、代表隨機向量的協(xié)方差矩陣。
[0086] 所述的步驟S4中考慮到發(fā)射信號經(jīng)過的實際合法信道與設計信號是使用的估計 信道存在估計誤差，則Bob的接收信號有變。Bob接收信號為y b并計算SINR，表示為γ b( Φ )， 根據(jù)發(fā)射信號的設計原則可知=0,簡化表達式，Bob的接收信號表示為
[0090] 已知4~CTVC(WIjvii)且風ec5xUV1)的列向量構成的零空間的標準正交基，從 而得到
[0087]
[0088]
[0089]
[0091]
[0092]由于，該系統(tǒng)只知道竊聽信道的統(tǒng)計信息，Eve的接收信號和SINR均不變，仍為公 式(2)和(6)。而安全中斷概率約束只與竊聽信道相關，故安全中斷約束條件不變。因此，安 全中斷概率約束下的系統(tǒng)安全速率關于發(fā)射信號的功率分配比的關系表示為
[0093]
[0094] 設定天線參數(shù)似=2，化=4，￡ = 〇.1，||]11)||2=1，采取的估計誤差為〇 = 0.1，并分 別考慮Pc = OdB和Pc = IOdB兩種情況。通過MATLAB仿真找到找到最優(yōu)解并對比作圖，如圖5所 示，圖中呈現(xiàn)的是不同條件下，系統(tǒng)安全速率與發(fā)射源Alice的總發(fā)射功率之間的關系，可 以明顯看出信道h b存在估計誤差對系統(tǒng)的安全速率的影響在Alice發(fā)射功率較低時幾乎沒 有影響。當發(fā)射功率逐漸增大超過5dB后差別越來越大，在理想信道估計的條件下系統(tǒng)的安 全速率隨發(fā)射功率的增加而增大;而在非理想信道估計的條件下系統(tǒng)的安全速率隨發(fā)射功 率的增加先增大后減小，由此可以得到一個安全速率的最大值。分析具體數(shù)據(jù)可知：
[0095] (1)當CJ端的發(fā)射功率為IOdB時，系統(tǒng)的安全速率隨Alice端發(fā)射功率的變化呈現(xiàn) 出明顯的先增大后減小的變化，當發(fā)射源的發(fā)射功率為I IdB時，安全速率達到最大約為 1.366bpcu(比特/頻道使用）。
[0096] (2)當CJ端的發(fā)射功率為OdB時，系統(tǒng)的安全速率隨Alice端發(fā)射功率的變化不明 顯，當發(fā)射源的發(fā)射功率為HdB時，安全速率達到最大約為0.288bpcu(比特/頻道使用）。
[0097] 本發(fā)明充分考慮了 Alice對主信道存在誤差的估計會導致以估計信道設計的發(fā)送 信號中人工噪聲向量嚴重干擾Bob接收有效信號，從而降低系統(tǒng)安全傳輸速率的情況。 Alice按理想信道估計條件下安全傳輸速率極大化得到的最優(yōu)功率分配比設計發(fā)射信號， 發(fā)射信號經(jīng)過與估計信道存在估計誤差的實際信道后系統(tǒng)達到的安全傳輸速率，比較該安 全傳輸速率與理想信道估計條件下系統(tǒng)安全速率，驗證考慮主信道估計誤差的重要性，并 找到一個更經(jīng)濟、更貼近現(xiàn)實環(huán)境下協(xié)作網(wǎng)絡中保密消息的安全傳輸方案。
【主權項】
1.主信道非理想信道估計條件下基于人工噪聲的協(xié)作網(wǎng)絡中功率分配方法，其特征在 于:它包括以下步驟： S1:合法接收端同時向發(fā)射源發(fā)射端和協(xié)作干擾機發(fā)送導頻序列，所述導頻序列經(jīng)過 發(fā)射端到合法接收端的實際信道hb'，同時經(jīng)過協(xié)作干擾機到合法接收端的實際信道hbc' ； S2:發(fā)射端接收所述導頻序列并做非理想信道估計得到非理想信道hb，即hb = hb ' +Sb;協(xié) 作干擾機接收導頻序列并做理想信道估計得到理想信道hb。，s卩h bc；=hb。'，記備?_ν_(α〇·ι.、）， 其中代表隨機向量的協(xié)方差矩陣； S3:發(fā)射端利用信道矩陣hb設計發(fā)射信號s并發(fā)射，協(xié)作干擾機分別利用信道矩陣hb。設 計發(fā)射信號s。并發(fā)射，發(fā)射信號s、s。分別經(jīng)過hb '、hb。'到達合法接收端，同時發(fā)射信號s、s。 分別經(jīng)過竊聽信道he、h ec到達竊聽端； S4:合法接收端接收信號為5^并計算信干噪比，表示為γ b( Φ )，根據(jù)發(fā)射信號的設計原 貝1J可知/&. = 〇，簡化表達式，合法接收端的接收信號表示為 yb?fs+(hbi'fsr+th = (hb-Sb)Ms + h^sc+nb = hbs~Sbs + hisc +fh = ^s-8^s + nb 其中，nb，ne3~CN(0，1)分別代表噪聲對合法接收端和竊聽端的影響；發(fā)射端發(fā)射信號s 中的人工噪聲信號部分應對合法接收端沒有任何影響，故滿足：其中，？3表示發(fā)送端的發(fā)送功率約束；Φ e [〇，1 ]表示?3的功率分配比；X~CN(0，1)和 "-cTvmVi)分別表示高斯碼本的數(shù)據(jù)信號和高斯噪聲向量，并且是相互獨立的;等式右邊 第一項表示信息軸方向的信號，其中第二項表示人工噪聲向量，其中 的列向量構成的零空間的標準正交基； 干擾機端發(fā)射信號s。也應對合法接收機沒有任何影響，即= 0，所以s。表示為其中P。表示CJ的發(fā)送功率約束；W的列向量形成了'的零空間的標準正交基； z d(_0,Ijy^)表示一個高斯噪聲向量； 合法接收端的信干燥比SINR可以表示成已知爲~〇ν(0，σ\)且y 的列向量構成Af的零空間的標準正交基，從而得 到 |<5f = σ2，故由于系統(tǒng)只知道竊聽信道的統(tǒng)計信息，竊聽端的接收信號和信干噪比仍為理想信道估 計條件下的結果，分別為：要實現(xiàn)安全中斷容量最大化，該優(yōu)化問題可以等價為一個功率分配問題，描述如下：s.t.Pr( γθ( Φ )>μ) = ε, O^Rs^Cb. 其中γ =pa| |hb| |2，RS表示安全傳輸速率，ε表示安全中斷概率約束，Cb = log2(l+yb (Φ ))表示主信道的信道容量，-1表示和中斷概率有關的閾值； 求解安全中斷概率約束為：其中；由上式看出ω是一個關于φ的隱函數(shù)，且顯然ω(φ)>〇， 則功率分配問題的公式就表示成：S5 :計算理想信道估計條件下發(fā)射端發(fā)射功率的最優(yōu)分配比Φ *，以及該功率分配比時 的最大安全傳輸速率R/; S6:按理想信道估計條件下最優(yōu)功率分配比Φ *設計發(fā)送信號，并計算該發(fā)送信號經(jīng)過 與估計信道存在估計誤差的實際信道時系統(tǒng)達到的安全傳輸速率Rs'，即將理想信道估計 條件下的Φ *代入公式步驟S4中的最后一個公式得到Rs ' =RS( Φ *)。 S7:比較Rs '與R/，得出結論。
【文檔編號】H04L25/02GK106068032SQ201610344177
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月20日 公開號201610344177.2, CN 106068032 A, CN 106068032A, CN 201610344177, CN-A-106068032, CN106068032 A, CN106068032A, CN201610344177, CN201610344177.2
【發(fā)明人】章露萍, 文紅, 張金玲, 潘緋, 廖潤發(fā)
【申請人】電子科技大學