全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法技术

本发明专利技术提供了一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，包括如下步骤：步骤S1、构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；步骤S2、信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号；步骤S3、计算全双工目的端节点接收到的信源信号的第一SINR值，计算窃听节点接收到的信源信号和干扰信号的第二SINR值，并统计信道参数；步骤S4、利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数分别求解出安全速率、最优功率分配和全双工目的端节点天线的最佳分配方案。本发明专利技术的优点在于：充分利用天线自由度，物尽其用，合理分配功率，避免资源浪费。

【技术实现步骤摘要】
全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法
本专利技术涉及一种优化方法，特别指一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法。
技术介绍
随着技术的不断发展，世界电信发生了巨大的变化，移动通信特别是蜂窝小区的迅速发展，使用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式。进入21世纪，移动通信演变成社会发展和进步的必不可少的工具。由此也产生了信息安全的问题。目前，针对移动通信的信息安全问题，主要采取天线目的端加扰的方案。而传统的加扰方案，天线采取的是固定的工作模式。该方案存在有如下缺陷：1、由于所有的天线的工作模式固定为接收模式或者发射模式，极大地限制了天线的利用率与发挥空间；2、由于加扰方案没有应用最优功率分配方案，使得系统的功率利用率低下。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，用于提高天线利用率、合理分配功率。本专利技术是这样实现的：一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；步骤S2、信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号；步骤S3、计算全双工目的端节点接收到的信源信号的第一SINR值，计算窃听节点接收到的信源信号和干扰信号的第二SINR值，并统计信源节点与窃听节点之间、信源节点与全双工目的端节点之间以及全双工目的端节点与窃听节点之间的信道参数；步骤S4、利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数分别求解出安全速率、最优功率分配和全双工目的端节点天线的最佳分配方案。进一步地，所述步骤S1具体为：构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；信源节点设有一发射天线，窃听节点设有一接收天线，全双工目的端节点设有ND根全双工天线，其中ND为大于等于2的整数；发射天线与接收天线无线连接，发射天线与全双工天线无线连接，全双工天线与接收天线无线连接。进一步地，所述步骤S2具体为：信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号，在发送信号的同时系统内部产生加性高斯白噪声；全双工目的端节点接收到的信号为：窃听节点接收到的信号为：yE＝gSExS+gDEv+nE其中，y表示接收到的信号，D表示全双工目的端节点，E表示窃听节点；H表示共轭转置；hSD表示信源节点至全双工目的端节点的信道参数集合，且hs1表示信源节点至全双工目的端节点的第1根接收天线的信道参数，hs2表示信源节点至全双工目的端节点的第2根接收天线的信道参数，hSNDr表示信源节点至全双工目的端节点的第NDr根接收天线的信道参数，NDr表示全双工目的端节点含有接收天线的总数，T表示转置；xs表示信源节点广播的合法信号，且E[|xs|2]＝αP,E[|xs|2]表示|xs|2的数学期望值；α表示功率分配因子，0＜α＜1；P表示系统总发射功率，P＝PS+PD,PS＝αP,PD＝(1-α)P,PS表示信源节点的发射功率，PD表示全双工目的端节点发射功率；nD表示全双工目的端节点处接收到的加性高斯白噪声，nE表示窃听节点处接收到的加性高斯白噪声，gSE表示信源节点至窃听节点的信道参数集合，gDE表示全双工目的端节点至窃听节点的信道参数集合，g1E表示全双工目的端节点的第1根发射天线至窃听节点的信道参数，g2E表示全双工目的端节点的第2根发射天线至窃听节点的信道参数，gNDtE表示全双工目的端节点的第NDt根发射天线至窃听节点的信道参数，NDt表示全双工目的端节点含有发射天线的总数；v表示全双工目的端节点向窃听节点发射的干扰信号，系统分配给v的功率均分为NDt份，表示v中每一个元素的方差。进一步地，所述步骤S3具体为：计算全双工目的端节点接收到的信源信号的第一SINR值，计算窃听节点接收到的信源信号和干扰信号的第二SINR值，并统计信源节点至窃听节点间的信道参数gSE、信源节点至全双工目的端节点间的信道参数hSD、全双工目的端节点至窃听节点间的信道参数gDE；第一SINR值：第二SINR值：其中AR表示全双工目的端节点的接收天线集合，AT表示全双工目的端节点的发射天线集合，gjE表示AT中第j根天线到窃听节点之间的信道参数，j为整数，且1≤j≤NDt。进一步地，在所述步骤S4中，所述利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数求解出安全速率具体为：在统计窃听状态信息条件下，其中RS为安全速率，RD为合法速率，RE为窃听速率，E为求期望值；因为RE的方程式的闭合解在数学上不能导出，在NDt≥1的条件下，转而通过求解RE的上界表达式来求解最高窃听速率放缩步骤(a)基于nE→0的情况，放缩步骤(b)基于log函数的凹性和詹森不等式；当NDt＝0时，全双工目的端节点没有天线处于发射人工噪声的工作状态，系统将所有的发射功率分配给信源节点，此时α＝1和成立；当NDt＝1时，的闭合解在数学上不能导出，转而求解的下界表达式：其中ΩSE＝E{|gSE|2}，ΩDE＝E{|gDE|2}，ΩSE为信源节点到窃听节点的平均信道增益，ΩDE为全双工目的端节点到窃听节点的平均信道增益；由上述可得，安全速率的下界表达式为：其中Λ为中间变量，无实际意义；通过求取α，AT，AR最优值，进而求取Λ最优值，最终得到安全速率下界最大值：在所述步骤S4中，所述利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数求解出最优功率分配具体为：已知接收天线集合AR与发射天线集合AT情况下，最优功率分配因子表达式：其中为全双工目的端节点最优发射功率分配因子，NOOPAfactor表示不存在最优发射功率分配因子，Δ为中间变量，无实际意义；在所述步骤S4中，所述利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数求解出全双工目的端节点天线的最佳分配方案具体为：对于任意给定的AR，存在AT＝{an|n∈[1，ND]，card(AT)＝NDt，card(AR)＝ND-NDt，其中，AR与AT互补，an表示全双工目的端节点中工作状态处于发射模式的天线的标签，card(AT)表示对发射天线集合取势，card(AR)表示对接收天线集合取势；全双工目的端节点有card(AR)根天线工作状态处于接收模式，定义card(AR)的最大值优化函数为：将AR初始值设为空集，此时全双工目的端节点没有天线处于接收状态，系统将所有功率分配给全双工目的端节点，即α＝0，计算的初始值；当任一根天线工作状态切换为接收模式时，记为AR＝AR∪[an]，并检测优化函数是否有增益产生，计算接收天线数量从0至NDr根时的AR、AT、αAR以及参数，并输出最优值，即得出全双工目的端节点天线的最佳分配方案，其中αAR为全双工目的端节点接收功率分配因子。本专利技术的优点在于：1、通过采用全双工目的端节点向窃听节点发射干扰信号，有效降低窃听信道容量，保证合法信道传输速率。2、由于目的端采用全双工天线，提升了无线资源的利用率。3、由于目的端采用多天线技术，有效提升系统可达安全速率。4、通过信道参数，动态分配全双工目的端节点的天线的工作模式，充分提高天线自由度利用率。5、通过最优功率分配因子表达式，得到最优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；步骤S2、信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号；步骤S3、计算全双工目的端节点接收到的信源信号的第一SINR值，计算窃听节点接收到的信源信号和干扰信号的第二SINR值，并统计信源节点与窃听节点之间、信源节点与全双工目的端节点之间以及全双工目的端节点与窃听节点之间的信道参数；步骤S4、利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数分别求解出安全速率、最优功率分配和全双工目的端节点天线的最佳分配方案。

【技术特征摘要】
1.一种全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤S1、构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；步骤S2、信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号；步骤S3、计算全双工目的端节点接收到的信源信号的第一SINR值，计算窃听节点接收到的信源信号和干扰信号的第二SINR值，并统计信源节点与窃听节点之间、信源节点与全双工目的端节点之间以及全双工目的端节点与窃听节点之间的信道参数；步骤S4、利用第一SINR值、第二SINR值以及信道参数分别求解出安全速率、最优功率分配和全双工目的端节点天线的最佳分配方案。2.如权利要求1所述的全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：构建一包括信源节点、窃听节点以及全双工目的端节点的无线通信系统；信源节点设有一发射天线，窃听节点设有一接收天线，全双工目的端节点设有ND根全双工天线，其中ND为大于等于2的整数；发射天线与接收天线无线连接，发射天线与全双工天线无线连接，全双工天线与接收天线无线连接。3.如权利要求2所述的全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：信源节点向窃听节点和全双工目的端节点发送信源信号，全双工目的端节点向窃听节点发送干扰信号，在发送信号的同时系统内部产生加性高斯白噪声；全双工目的端节点接收到的信号为：窃听节点接收到的信号为：yE＝gSExS+gDEv+nE其中，y表示接收到的信号，D表示全双工目的端节点，E表示窃听节点；H表示共轭转置；hSD表示信源节点至全双工目的端节点的信道参数集合，且hs1表示信源节点至全双工目的端节点的第1根接收天线的信道参数，hs2表示信源节点至全双工目的端节点的第2根接收天线的信道参数，hSNDr表示信源节点至全双工目的端节点的第NDr根接收天线的信道参数，NDr表示全双工目的端节点含有接收天线的总数，T表示转置；xs表示信源节点广播的合法信号，且E[|xs|2]＝αP,E[|xs|2]表示|xs|2的数学期望值；α表示功率分配因子，0＜α＜1；P表示系统总发射功率，P＝PS+PD,PS＝αP,PD＝(1-α)P,PS表示信源节点的发射功率，PD表示全双工目的端节点发射功率；nD表示全双工目的端节点处接收到的加性高斯白噪声，nE表示窃听节点处接收到的加性高斯白噪声，gSE表示信源节点至窃听节点的信道参数集合，gDE表示全双工目的端节点至窃听节点的信道参数集合，g1E表示全双工目的端节点的第1根发射天线至窃听节点的信道参数，g2E表示全双工目的端节点的第2根发射天线至窃听节点的信道参数，gNDtE表示全双工目的端节点的第NDt根发射天线至窃听节点的信道参数，NDt表示全双工目的端节点含有发射天线的总数；v表示全双工目的端节点向窃听节点发射的干扰信号，系统分配给v的功率均分为NDt份，表示v中每一个元素的方差。4.如权利要求3所述的全双工目的端加扰安全传输的联合优化方法，其特征在于：所述步骤S3具体为...

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