一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，包括：获取信源的发送天线数和中继的接收天线数；获取中继的发送天线数；基于所述信源的发送天线数、中继的接收天线数和中继的发送天线数，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；基于所述目的端接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。本发明专利技术方法通过选择最优发送和接收天线，在优化中继接收信噪比的同时，兼顾到弱化窃听者的接收信干噪比，有效提升了整个系统的安全容量。

【技术实现步骤摘要】
一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法
本专利技术涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种单向全双工MIMO(多输入多输出)中继天线选择安全传输方法。
技术介绍
在无线通信技术的发展历程中，各种安全通信技术也随之发展。而其中的物理层安全基于香农理论的信道编码技术，利用无线信道复杂的空间特性和时变特性实现信息的安全传输。Wyner原创性的提出物理层安全的概念及其相关指标[1]。随后，物理层安全技术快速发展，尤其是中继协作通信技术和天线选择技术正越来越多的用于保障信息安全传输。相较与传统无线通信系统，中继协作通信技术正越来越多的受到研究者的关注，它不但能扩大系统覆盖范围，提高通信传输质量，而且能够有效提高安全传输性能，文献[2][3]指出协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。中继根据工作方式可以分为半双工中继和全双工中继，如文献[4]中的中继半双工和全双工方案的性能对比，凸显出全双工的优势，这是由于半双工中继只能单独实现接收或发射信息的功能，而全双工中继可以同时实现收发信息的功能，从而能够提高通信传输效率。为提升系统(系统)性能，研究者们提出多种传输策略，诸如协作干扰[5][6]和天线选择[7]-[9]等策略，而天线选择技术作为多天线节点系统中重要的安全传输技术，具有较低的计算复杂度和设计成本，通常从多根天线中选择一根信道条件最好的天线，选取准则以最大化安全性能为主。如文献[10]采用目的节点天线选择的方案，通过文中设计的天线选择方案针对多天线目的端选取不同的发射天线和接收天线，达到提升系统安全性能的作用。但现有研究很少将两种技术相结合，通常单方面使用中继协作通信技术或者天线选择技术，只能有限提升系统的安全性能，如文献[9]中无中继模型，天线选择方案只考虑多天线发送节点和多天线接收节点的天线选择，虽然提升了目的端的接收信噪比，但窃听者的接收信干噪比无影响，对整个系统的安全性能提升有限。传统的中继协作通信技术为提高系统安全性能，往往会发送人工噪声干扰窃听者，通常采用预编码方案，使得系统复杂度高，操作繁琐，如文献[6]利用人工噪声预编码方案通过中继发送人工噪声干扰窃听者，虽然能提升系统安全性能，但相较于天线选择方案，系统复杂度高，不便分析；传统天线技术诸如波束成形技术，如文献[5]其中的波束成形方案，通过对多天线中继接收到的信号进行加权合成，形成所需的理想信号，虽然能改善系统性能，但相较于天线选择方案要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗，这些缺陷都对提升通信系统的性能带来了挑战。附录文献：[1]WynerAD.Thewire-tapchannel[J].Thebellsystemtechnicaljournal,1975,54(8):1355-1387.[2]DongL,HanZ,PetropuluAP,etal.Improvingwirelessphysicallayersecurityviacooperatingrelays[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2010,58(3):1875-1888.[3]LanemanJN,TseDNC,WornellGW.Cooperativediversityinwirelessnetworks:Efficientprotocolsandoutagebehavior[J].IEEETransactionsonInformationtheory,2004,50(12):3062-3080.[4]GaojieChen,YuGong,JonathonAC.Physicallayernetworksecurityinthefull-duplexrelaysystem[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2015,10(3):574-583.[5]RuiZhao,YongmingHuang,WeiWang,etal.Ergodicachievablesecrecyrateofmultiple-Antennarelaysystemswithcooperativejamming[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2016,15(4):2537-2551.[6]YuanjianLi,RuiZhao,XingTan,etal.Secrecyperformanceanalysisofartificialnoiseaidedprecodinginfull-duplexrelaysystems[C].IEEEGlobalCommunicationsConference,Singapore,2017.[7]YangK,CuiH,SongL,etal.Efficientfull-duplexrelayingwithjointantenna-relayselectionandself-interferencesuppression[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2015,14(7):3991-4005.[8]ZhouZ,PengM,ZhaoZ,etal.Jointpowersplittingandantennaselectioninenergyharvestingrelaychannels[J].IEEESignalProcessingLetters,2015,22(7):823-827.[9]WangL,ElkashlanM,HuangJ,etal.SecuretransmissionwithantennaselectioninMIMOnakagami-fadingchannels[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2014,13(11):6054-6067.[10]LingxiangLi,ZhiChen,DuoZhang,etal.Afull-duplexBobintheMIMOgaussianchannel:schemeandperformance[J].IEEESignalProcessingLetters,2016,23(1):107-111.
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，设计了一种综合考虑窃听者的统计信道状态信息(CSI)的天线选择准则，最大化中继接收信噪比和目的端接收信噪比，并弱化窃听者的接收信干噪比，分析不同信源和中继天线数的设置对系统安全性能的影响，从而提升系统安全传输性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取信源的发送天线i和中继的接收天线j；其中，i＝1,..,NS，NS表示信源的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取中继的发送天线k；其中，k＝1,...,NR-1；基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述全双工MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取信源的发送天线i和中继的接收天线j；其中，i＝1,..,NS，NS表示信源的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取中继的发送天线k；其中，k＝1,...,NR‑1；基于所述信源的发送天线i、中继的接收天线j和中继的发送天线k，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；基于目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。

【技术特征摘要】
1.一种单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述全双工MIMO中继系统包括信源、中继、目的端和窃听者，所述信源、中继、目的端节点和窃听者均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取信源的发送天线i和中继的接收天线j；其中，i＝1,..,NS，NS表示信源的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取中继的发送天线k；其中，k＝1,...,NR-1；基于所述信源的发送天线i、中继的接收天线j和中继的发送天线k，获取目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比；基于目的端的接收信噪比和窃听者的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。2.根据权利要求1所述的单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述获取信源的发送天线i和中继的接收天线j，包括：基于已知的信源到窃听者链路及信源到中继链路的平均CSI，以最大化中继接收信干噪比为原则，设计信源的发送天线i和中继的接收天线j的选择准则，如下：其中，hSR,i,j表示信源到中继的信道参数；gSE,i表示信源到窃听者的信道参数；表示对X求均值；信源将信息广播至中继和窃听者，中继的接收信号的表达式为其中，PS＝αP表示信源的发送功率，P表示总功率，α为功率分配因子，且0<α<1；xS[n]表示单位方差信源信号；nR[n]表示中继上接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声；由于中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻。3.根据权利要求2所述的单向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵睿，吴奇，李元健，王聪，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35