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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传输
，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。
技术介绍
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。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。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。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。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术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。本专利技术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。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：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：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。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。利用二分法求解外层源节点发送功率优化问题的解。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。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。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术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。(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。附图说明图1是本专利技术方法所涉及的系统模型。图2是本专利技术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。图3(a)是安全速率和源节点功率约束的变化曲线图。图3(b)是安全速率和中间节点总功率约束的变化曲线图。图4是本专利技术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。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明：本专利技术涉及系统模型如图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。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。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。由于引入了干扰节点，对信息传输的两阶段都进行了保护。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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。

【技术特征摘要】
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：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。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，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。3.如权利要求2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，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。4.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑超，李伟，马帅，徐晓寅，冯希军，刘志永，唐杰，段义勇，亓建新，孙丽玲，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司莱芜供电公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：山东;37