一种多用户对端到端中继系统的安全预编码方法技术方案

多用户对端到端中继系统用于物理层安全的预编码设计方法，中继节点利用信道之间的差异性，通过预编码信号处理技术在相应的目的节点处消除多用户干扰，又同时在窃听节点方向进行迫零处理，实现信息安全传输。一方面，本方法消除了多用户干扰和防止信息泄露，降低了目的节点接收机的检测复杂度并且保证了信息的安全传输。另一方面，本方法将主要复杂度集中在固定设施中继上，简化了对移动用户的硬件要求，并且本方法只涉及到中继节点对接收信号做简单的加法和乘法操作，硬件实现简单，实用性更强。

【技术实现步骤摘要】
一种多用户对端到端中继系统的安全预编码方法
本专利技术涉及一种改善物理层安全的预编码设计方法，尤其涉及一种针对多用户对端到端中继系统里中继节点的预编码处理方法，该方法可在消除多用户间干扰的同时，防止信息泄露。
技术介绍
无线通信的广泛运用，虽然给人民生活带来了巨大便利，但是无线通信的广播特性和无线媒质的开放性，导致信息安全威胁日益凸显严重，特别是电子商务等领域，这使得信息安全问题日益受到广泛关注。传统上解决这一安全问题的方法是在物理层以上的高层中采取加密密钥体制，通过对合法用户进行密钥分发实现身份认证和安全通信。然而，随着用户数目骤增，密钥分发的复杂度和密钥长度成为加密机制亟待解决的两大挑战。基于信息论，物理层安全技术为通信安全开辟了新的途径。因此，结合现有加密机制，物理层安全技术能为通信安全提供更加坚实的安全保障。物理层安全的主要思想是利用信道差异性，通过各种信号处理技术来增大主链路(源节点和目的节点间信道)的信道容量，并同时尽可能恶化窃听链路(源节点和窃听节点间信道)的信道容量。A.D.Wyner在“Thewire-tapchannel.BellSyst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”一文中表明：只要主链路的信道容量大于窃听链路的信道容量，就可以实现信息的安全传输。因此，物理层安全的研究为信息安全传输提供了新的途径。多天线技术通过引入多维信号处理，既能克服单天线系统中当窃听信道质量优于主信道时，安全容量为零的局限，又可以成倍地提升系统的传输速率。因此，多天线技术在改善物理层安全、保证信息安全传输上发挥着重要作用。多天线技术中多维信号处理方式主要包括线性预编码技术和人工加噪技术两种。线性预编码技术主要通过对发射信号进行线性变化处理，以达到增强目的节点接收、减少泄露给窃听节点的信息量，从而扩大主链路与窃听链路之间的信道容量差值。除此之外，人工加噪技术也是多天线技术改善物理层安全的重要手段之一。在不影响目的节点正常接收信号的条件下，通过在主链路的零空间内添加人工噪声以达到恶化窃听节点接收性能，从而实现提高物理层安全性能的目的。中继系统不仅具有克服远距离通信等优势，而且中继节点通过运用预编码技术也可以取得物理层安全改善的收益。由于中继系统将信号预编码处理集中在中继节点上实现，极大地简化了对源节点和目的节点收发机的硬件配置要求。因此，关于中继系统预编码技术的研究日益受到广泛研究。特别是，多用户对中继通信系统(MultiuserPeer-to-PeerRelayNetwork)中的预编码设计问题：如何设计高效的预编码方案既能够同时支持多组用户对多路数据流并行传输，又能够有效地解决多用户之间相互干扰问题和信息安全传输问题。针对这一安全预编码设计问题，X.Gong等人在“Securecommunicationdesignformulti-userpeer-to-peerwirelessrelaynetworks.IETCommun.Jan.2016,pp.770-777.”一文中从以下思路进行解决：在保证合法用户对安全通信的前提下，最大化多用户对中的最小安全传输速率，从而将安全预编码问题转化为以“最小安全传输速率”为优化目标的半正定规划问题，并采用内点法进行有效求解。然而，这种求解方式仅仅能够得到一个近似的次优解，且运算过程极为繁琐。而且，这一解决方式，需要联合检测所有源节点发送的源信息才能够确定源节点所发送的私密信息，目的节点的信号检测复杂度大，而且无法有效地抑制多用户干扰对目的节点的影响。多用户对端到端中继系统中，协同网络中每一路天线的信号在传输过程中都会进行叠加。如果对联合信道进行线性预编码处理，引入大维度数据，增大空间增益，即，在中继节点处采取线性预编码技术，由于空间增益的增加，这种方式能够在消除多用户干扰的同时防止信息泄露。同时，线性预编码处理还可以在简化目的节点接收机结构、降低其检测复杂度的同时显著提升系统的频谱利用率。然而相关研究却极少见诸报道。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：为多用户对端到端中继系统提出一种用于物理层安全的预编码设计方案。本方法一方面可以防止信息泄露，实现信息安全传输，另一方面可以消除多用户间干扰，简化目的节点接收机结构以及降低其检测复杂度。技术方案：针对由一个中继节点R，K个源节点S1,S2,...,Sk,...,SK，K个目的节点D1,D2,...,Dk,...,DK和J个窃听节点E1,E2,...,Ej,...,EJ构成的多用户对端到端中继系统(系统中源节点和目的节点的数目一致，一个源节点和相应的一个目的节点构成一组用户对)系统中，K个源节点和K个目的节点在中继R的协助下实现远距离通信，每一个源节点Sk分别与其对应的第k个目的节点Dk构成一组用户对{Sk,Dk}，共构成K组用户对{S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK}。所述K组用户对中，每一个目的节点Dk只希望获取源节点Sk发送的私密信息，而将其它源节点的发送信息视为干扰。所述K组用户对和J个窃听节点均是蜂窝网络中的合法移动用户(例如手机)，由于移动设备尺寸限制，假设其均配备单天线；而中继节点R为固定设施，包含N根天线R1,R2,...,Rn,...,RN，所述根数天线N为正整数且满足N≥K+J，其中，所述用户对个数K和窃听节点个数J均为正整数，k为[1,K]范围内的任一整数，表示所述每一组用户对{Sk,Dk}的编号；j为[1,J]范围内的任一整数，表示所述每一个窃听节点Ej的编号；n为[1,N]范围内的任一整数，表示所述每一根天线Rn的编号。为解决上述技术问题，本专利技术采用的预编码方案如下：第一步：信道估计：所述中继节点R首先接收全部用户对{S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK}和全部窃听节点E1,E2,...,Ek,...,EJ反馈的位置信息；然后根据所述位置信息分别计算所述用户对中每一个源节点Sk到所述中继节点中每一根天线Rn的信道增益所述中继节点中每一根天线Rn到所述用户对中每个目的节点Dk的信道增益以及所述中继节点中每一根天线Rn到所述每一个窃听节点Ej的信道增益再将所述每一个源节点Sk到每一根天线Rn的信道增益组合为源节点信道增益矢量将所述每一根天线Rn到每一个目的节点Dk的信道增益组合为目的节点信道增益矢量将所述每一根天线Rn到每一个窃听节点Ej的信道增益组合为窃听节点信道增益矢量其中，所述的源节点信道增益矢量目的节点信道增益矢量和窃听节点信道增益矢量均为N×1维的向量。第二步：接收广播信息：所述用户对{S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK}中的每一个源节点Sk均分别通过中继节点向其对应的目的节点Dk发送私密信息xk，则中继节点中每根天线Rn接收到的信号为其中，Pk表示所述每一个源节点Sk发送私密信息的功率，表示所述中继节点中第n根天线Rn处的加性高斯白噪声；然后将所述中继节点中每一根天线Rn接收到的信号组合为天线接收信号矢量其中为天线加性高斯白噪声矢量。其中，天线接收信号矢量yR与天线加性高斯白噪声矢量vR均为N×1维矢量，第三步：预编码处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多用户对端到端中继系统中用于物理层安全的预编码方法，所述系统包括一个中继节点(R)，K个源节点(S

【技术特征摘要】
1.一种多用户对端到端中继系统中用于物理层安全的预编码方法，所述系统包括一个中继节点(R)，K个源节点(S1,S2,...,Sk,...,SK)，K个目的节点(D1,D2,...,Dk,...,DK)和J个窃听节点(E1,E2,...,Ej,...,EJ)，所述每一个源节点(Sk)分别与其对应的第k个目的节点(Dk)构成一组用户对({Sk,Dk})，共构成K组用户对({S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK})，所述中继节点(R)包含N根天线(R1,R2,...,Rn,...,RN)，所述根数天线N为正整数且满足N≥K+J，其中，所述用户对个数K和窃听节点个数J均为正整数，k为[1,K]范围内的任一整数，表示所述每一组用户对({Sk,Dk})的编号；j为[1,J]范围内的任一整数，表示所述每一个窃听节点(Ej)的编号；n为[1,N]范围内的任一整数，表示所述每一根天线(Rn)的编号，其特征在于，预编码步骤如下：第一步，信道估计：所述中继节点(R)首先接收全部用户对({S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK})和全部窃听节点(E1,E2,...,Ek,...,EJ)反馈的位置信息；然后根据所述位置信息分别计算所述用户对中每一个源节点(Sk)到所述中继节点中每一根天线(Rn)的信道增益所述中继节点中每一根天线(Rn)到所述用户对中每个目的节点(Dk)的信道增益以及所述中继节点中每一根天线(Rn)到所述每一个窃听节点(Ej)的信道增益再将所述每一个源节点(Sk)到每一根天线(Rn)的信道增益组合为源节点信道增益矢量将所述每一根天线(Rn)到每一个目的节点(Dk)的信道增益组合为目的节点信道增益矢量将所述每一根天线(Rn)到每一个窃听节点(Ej)的信道增益组合为窃听节点信道增益矢量第二步：接收广播信息：所述用户对({S1,D1},{S2,D2},...,{Sk,Dk},...,{SK,DK})中的每一个源节点(Sk)均分别通过中继节点向其对应的目的节点(Dk)发送私密信息xk，则记中继节点中每根天线(Rn)接收到的信号为将所述中继节点中每一根天线(Rn)接收到的信号组合为天线接收信号矢量第三步：预编码处理：中继节点对天线接收信号矢量进行预编码运算，得到预编码矢量信号ByR，其中B为N×N维预编码矩阵，预编码矩阵B第l行第q列元素记为B(l,q)，其中l和q均为[1,N]范围内的整数，记预编码向量b为预编码矩阵B按列堆栈所得的N2×1维向量，所述预编码向量b的生成步骤如下：步骤301：计算每个目的节点(Dk)处的等效干扰矩阵Fk＝[f1,k,f2,k,...,fk-1,k,fk+1,k,...,fK,k]T，其中，第i源节点(Si)到第k个目的节点(Dk)的等效干扰向量i∈[1,K],i≠k；步骤302：计算每个窃听节点(Ej)处的等效窃听矩阵Gj＝[g1,j,g2,j,...,gK,j]T，其中，第k源节点(Sk)到第j个窃听节点(Ej)的等效窃...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡跃明，曹阔，杨炜伟，杨文东，吴丹，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32