一种OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，中继采用放大转发协议，首先源节点和目的节点估计出它们之间所有链路的等效信道，然后将人工噪声设计在源节点‐中继-目的节点链路的物理信道的零空间中，因此人工噪声对目的节点无干扰。再后在源节点和中继节点功率受限情况下最大化安全速率，该优化问题是非凸的，我们采用松弛变量代换和ICA技术，将原始的非凸问题转化为一系列的近似凸问题，进而可以用CVX工具求解。仿真结果表明，本方法能获得较好的安全速率，稳定的性能。与采用目的节点协作干扰的方法和无噪声方法相比，本方法不仅能获得稳定有效的安全性，还能避免窃听节点位置带来的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线中继系统的物理层安全
，具体设及一种抵抗CFDM放大 转发（AF)中继系统中外在窃听节点窃听的时域噪声设计方法。
技术介绍
正交频分复用（(FDM)技术作为4G中的关键技术，它能够抗多径衰落，频谱效率 高，频谱资源分配灵活等诸多优点，解决了人们现阶段高速通信的需求。在4G系统的建设 中，为了使系统具有较高的覆盖率，较低的建设成本，人们将中继技术引入到4G系统中。中 继技术增强了无线通信的覆盖范围、服务质量，降低了建设的成本。将OFDM技术与中继技 术相结合，实现了高速的数据传输与系统容量的提升，并提高了网络建设的灵活性。 无线通信因其内在的广播特性，存在窃听节点时，信息的安全传输得不到保证。物 理层安全作为传统加密算法的补充，从信息论的角度实现数据的安全传输，已得到越来越 多的研究。随着4G的商用，针对(FDM中继系统的物理层安全的研究已愈来愈普遍。在现 有的OFDM中继系统物理层安全文献中，最普遍的方法是在频域中添加人工噪声、或者利用 协作节点来发送干扰噪声来实现信息的安全传输，运种方法需要发送节点的天线多于目的 节点的天线、或者需要额外的帮助者。然而，对于一个所有节点都是单天线的OFDM中继系 统，没有额外的协作者帮助，前述的在频域添加人工噪声、协作干扰的方法并不可用。 关于OFDM中继系统的物理层安全的研究，国内外方兴未艾，已有研究例如， Maruifeng等利用收发双方已知的码本，旋转各个子载波发射符号的相位，并且加入噪声扰 动，避免窃听者还原原始发送信息；钟洲等从信道互异性条件出发，提出一种随机子载波加 权的多载波加密算法，随机选择各个子载波上的加权系数扰乱窃听者的接收信号，减少信 息的泄露；DerrickWingKwanNg等研究了中继网络场景中存在被动窃听者和非理想CSI 时，OFDM译码转发中继网络的保密资源分配问题。据调研，目前还没有文献对OFDM放大 中继系统中加入时域人工噪声干扰窃听者进行研究和讨论。
技术实现思路
针对上述缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供一种OFDM放大转发中继系统中的 物理层安全传输方法，该方法采用放大转发协议，基于源节点-中继-目的节点的物理信 道，在源节点加入时域人工噪声，该噪声在不干扰目的节点的同时干扰外在窃听节点，在源 节点功率和中继节点功率限制条件下，优化发送信号的功率与人工噪声的协方差矩阵最大 化安全速率。 为达到W上目的，本专利技术的技术方法为： 包括W下步骤： 1)在每次传输之前，源节点将频域信号转换为时域信号，根据源节点和目的节点 估计源-中继-目的之间的等效时域信道信息，结合已知的中继采用的放大系数，源节点构 造出时域信道噪声，所述时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时域信道噪 声W及有用信号进行发送； 2)中继节点对所接收到的信号乘W放大系数后直接进行转发； 3)目的节点接收信号，获取有用信号。 2、如权利要求1所述的OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，其特征 在于，步骤3)后还包括步骤4): 目的节点计算其与窃听节点处的互信息量，得到安全速率表达式，在源节点和目 的节点功率限制条件下，对安全速率表达式进行求解，获取最优的有用信号发送功率与人 工噪声协方差矩阵，源节点按照所获取的最优的有用信号发送功率与人工噪声协方差矩 阵，对时域信道噪声W及有用信号进行发送。 所述步骤4)具体为： 所述根据目的节点和窃听节点接收到的信号，计算出互信息量，得到安全速率优 化问题：议 其中，Rs为安全速率，N为源节点发送符号个数，Xd为噪声方差，PA为源节点处的 最大功率，Pi为第i个子载波上的信号功率。 得到安全速率优化问题之后，对问题进行求解，求解步骤如下所示：[001引a)引进一个松弛变量ti替换Ce({Pi，SJ),得到 鮮 巧含〇, ^^化：1:=1，，，，，苗 其中，N为源节点发送符号个数，Sd为噪声方差，P1为第i个子载波上的信号功 率，//,,=*^於咕孤^好他产衝)"代表第1个元素，巧左,为 =佛"巧心=饼蝴好中的第i个元素，靖为 巧=仍T好邸丑二凤。各(好:，...，嗎_)中的第i个元素，皆二ffi户斬W;.代表第 i个元素，钱巧心V代表第i个元素，Gf=f/iT馬州.馬gU代表第i个元素， Qf=ffR^H化U代表第i个元素，H代表信道增益向量，为放大系数，Pk为中继节点处的发送功率。 b)用变量分别替换 问题变为： P3:m 持的 快) 巧 > 0，之dh()，/,>()，巧?，含（)，A含（)，/. = 1、...，W[002引C)对（3a) (3b) (3c)立式我们采用ICA技术，P3问题变为： P4:枉贿） (20b) 招Oc) 其中，专为ti在第k次迭代所得到的解，巧为iii在第k次迭代所得到的解户,为 Pi在第k次迭代所得到的解，兩;为Hli在第k次迭代所得到的解。 经过S步处理之后，原非凸问题Pl变为凸问题P4,P4可用CVX工具箱进行求解， 得到最优的信号发射功率和噪声协方差矩阵。 所述步骤1)中源节点构造出时域信道噪声具体包括W下步骤： 步骤1 :源节点用IFFT将频域信号转化成时域信号，并加上内容提供商CP ;[002引步骤2 :源节点根据估计得到的源节点-中继-目的节点的等效信道，构造出所添 加的时域信道噪声曰，即a=Ud U=n加U"U= 1.、"，d~CV(0,玄d)是 去CP矩阵，N为源节点发送符号个数，Ncp为循环前缀的长度，IW为N维单位向量，H为中 继到目的节点的ToeplitZ信道矩阵，加权因子.为放大系数，Pk为中继节点处 的发送功率，Hak为源节点到中继节点的Toeplitz信道矩阵，UH为为酉矩阵，Iwa为Nw维单 位向量； 步骤3 :时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时域信道噪声W及 有用信号进行发送。 与现有技术比较，本专利技术的有益效果为： 本专利技术提供了一种OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，通过对源 节点构造出时域信道噪声，并且将时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时 域信道噪声W及有用信号进行发送，中继节点对所接收到的信号乘W放大系数后直接进行 转发，使得目的节点接收信号，获取有用信号，该方案适合于OFDM单天线中继系统中，克服 了频域人工噪声需要发送节点天线要多于接收者天线的困难，或需要协作节点帮助的缺 点。避免或减少了外在的窃听节点窃听的信息，且比无噪声方案和目的节点协作方案的性 能好。【附图说明】 图1是(FDM中继系统模型示意图； 图2是窃听节点靠近源节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对比 曲线图； 图3是窃听节点靠近中继节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对 比曲线图 图4是窃听节点靠近目的节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对 比曲线图 图5是本专利技术的流程框图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术做详细描述。 本专利技术针对OFDM放大转发中继系统提出一种抵抗外在窃听节点窃听的时域噪声 设计方法，该方法采用放大转发协议，基于源节点-中继-目的节点的物当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：1）在每次传输之前，源节点将频域信号转换为时域信号，根据源节点和目的节点估计源‑中继‑目的之间的等效时域信道信息，结合已知的中继采用的放大系数，源节点构造出时域信道噪声，所述时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时域信道噪声以及有用信号进行发送；2）中继节点对所接收到的信号乘以放大系数后直接进行转发；3）目的节点接收信号，获取有用信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高贞贞，程度活，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61