一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统。其特征是在监听者无法获取完全信道状态信息时，通过引入人工干扰向量实现对认知无线网络中次级用户间可疑连接的主动监听。本发明专利技术在主、次接收机的信道状态信息无法被完全知晓的无线信道中加入人为干扰，利用一个全双工合法监听器通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接。保证了认知无线网络的通信安全性，适用于无法完全获得信道状态信息的认知无线网络，增强了通信安全性。

A Robust Active Monitoring System Based on Cognitive Wireless Networks

【技术实现步骤摘要】
一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统
：本专利技术涉及在在认知无线网络中对主动监听的鲁棒波束成形，属于通信

技术介绍
：随着认知无线电技术的体系结构不断完善，认知无线网络(CognitiveRadioNetwork,CRNs)这一概念被提出。与传统网络不同，认知无线网络中主网络与次网络共存。其中，主网络中的用户，即主用户(PrimaryUser，PU)指具有高级优先级或授权使用某一指定频段的用户；相应地，次网络中的用户(SecondaryUser，SU)是指较低优先级使用指定频段的用户和非授权的用户，次用户在不影响授权的主用户通信质量的前提下接入被授权的频段，与主用户共同授权的频段，实现频谱资源的高效利用。这使认知无线网络不受时间、地域等因素限制为设备提供可靠的通信服务。在认知无线网络中设计波束成形时通常需要获得完美的信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI),然而实际通信过程中主、次用户之间的合作有限，以及信道估计误差等因素的影响，系统获得的CSI通常含有误差。考虑到当CSI非完美时会造成系统性能下降，为对抗信道误差对系统性能带来的影响，考虑采用鲁棒波束成形设计，降低信道误差对系统性能带来的影响。由于无线信道的广播特性，使得无线网络中传输的信号很容易被窃听，严重威胁了网络的安全性。特别在认知无线网络中主、次用户共同使用同一频谱资源，网络环境更加复杂，因此面临更加严峻的安全威胁。在带有环路通道的多天线的无线合法监视系统大多为带有可疑部分和合法监视器的三点系统。在认知网络中，主动监听还未被研究，通过引入人为干扰向量来进行主动监听，从而达到对认知无线网络中的可疑通信连接进行监听。
技术实现思路
本专利技术的目的是在主、次接收机的信道状态信息无法被完全知晓的无线信道中加入人为干扰，利用一个全双工合法监听器通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，包括以下步骤：步骤一：设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率Rev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率Rev(w)最大化；步骤四：所述监听速率Rev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率Rev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化监听速率Rev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率Rev(w)。所述的次级发送机ST和合法监听器E之间的信道h2的信息被合法监听器E完全获得；所述的次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道h1，合法监听器E和SR之间的信道g1，次级发送机ST和主接收机PR之间的信道h3，合法监听器E和主接收机PR之间的信道g2由于信道估计误差被合法监听器E获得部分的信道状态信息；假设合法监听器E对于所述信道状态信息的了解局限于下述子集：其中，εei，εaj为信道估计质量的决定因子，为估计值Δgi，Δhj为信道估计误差。为了确保对次级接收机SR的可靠监听，所述次级发送机ST采用自适应速率传输，设次级发送机ST的传输功率Ps，满足Ps≤Pt，合法监听器E的监督向量w满足||w||2≤Pe，对于每个固定的w，次级发送机ST上的鲁棒传输速率为：其中σ2为高斯噪声方差，同时得到次级发送机ST上的鲁棒传输功率为：其中Γ为主接收机PR上能最大容忍的平均干扰；对于可疑连接的最大鲁棒传输速率，会随着次级发动机ST的传输功率PS的增大而增大，得出至少一个约束对于可疑连接的最大鲁棒传输速率是有效的，得到了可疑连接的最大鲁棒传输速率：其中，定义次级发动机ST到合法监听器E的监听信道容量为：假设合法监听器E成功监听可疑通信，则合法监听器E能够用任意小的错误概率来解码次级发动机ST发送的信息，此时RE(w)≥RS(w)，要获得有效监听速率时其中，当RE(w)＜RS(w)时，合法监听器E无法解码次级发动机ST发送的全部信息，则此时的监听速率Rev(w)＝0，得到有效的监听速率为：进一步的，通过优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率Rev(w)最大化，所述波束成形向量其中p为优化传输功率满足p≤Pe，||v||2＝1，通过增添一个新的约束RE(v,p)≥RS(v,p)使得Rev(w)最大化，此目标函数被RS(v,p)改写为：其中，由于速率和信干噪比的对数转换，所得的函数与目标函数等价。进一步的，和有相同的相位，即则和之间的夹角为此时目标函数受到多个问题的约束，将原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题；得出目标函数和下式有相同的优化解：此时，次级发动机ST的传输功率可以被转换为：进一步的，根据提出的三个与求解最大化监听速率Rev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，计算优化后的v，p：求解子问题得到相应的优化解:其中v为优化线束向量，通过优化人工干扰线性向量，得到使可获得的监听率达到最大值，进而达到主动监听的目的。本专利技术的有益效果在于，与现有的无线认知网络中的监听相比，可以通过优化发送波束向量来最大化监听速率，以主动监听在认知无线网络中次级收发机之间建立的可疑连接；另一方面，在监听者无法获取完全信道状态信息时，通过引入人工干扰向量实现对认知无线网络中次级用户间可疑连接的主动监听。附图说明图1为本专利技术的基于认知无线网络的主动监听鲁棒波束成形设计模型图；图2为本专利技术中由和所构成的二维空间；图3为主接收机上的监听速率和干扰临时约束的关系图；图4为合法监听器E上的监听速率和最大传输功率的关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1，本实施例中提供了一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，所述系统包括以下步骤：步骤一：在所述系统中，设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率Rev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率Rev(w)最大化；步骤四：所述监听速率Rev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率Rev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化的监听速率Rev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率Rev(w)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：设有一个合法监听器E和两个用户的主动监听系统，建立主动监听系统传输模型；其中，所述两个用户包括主接收机PR和次级发送机ST及次级接收机SR；所述合法监听器E配备有单个接收天线和多个发送天线，所述的次级发送机ST配备有一个单独的发送天线，次级接收机SR配备有一个单独的接收天线，所述合法监听器E在全双工模式下收发相互独立，且相互之间无自干扰现象；步骤二：根据步骤一中建立的主动监听系统传输模型，分别得到在次级发送机ST端的鲁棒传输速率和鲁棒传输功率，通过上述两个变量得到模型中可疑连接的最大鲁棒传输速率；由次级发送机ST端的鲁棒传输功率得到从次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量；步骤三：根据步骤二中的次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量和鲁棒传输速率之间的关系得到监听速率Rev(w)；优化合法监听器E的波束成形向量w来使监听速率Rev(w)最大化；步骤四：所述监听速率Rev(w)受到鲁棒传输速率和次级发送机ST端到合法监听器E端的信道容量之间的关系的约束，将求解最大化的监听速率Rev(w)的原问题变成一个可以通过有限个约束得到分析解的问题，得到优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率；步骤五：根据步骤四中得到的优化后的次级发送机ST端的鲁棒传输功率，提出三个与求解最大化的监听速率Rev(w)的原问题有相同优化解的子问题来优化原问题，同时通过优化人工干扰线性向量，得到最大化的监听速率Rev(w)。2.根据权利要求1所述的一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，其特征在于：所述的次级发送机ST和合法监听器E之间的信道h2的信息被合法监听器E完全获得；所述的次级发送机ST和次级接收机SR之间的信道h1，合法监听器E和SR之间的信道g1，次级发送机ST和主接收机PR之间的信道h3，合法监听器E和主接收机PR之间的信道g2由于信道估计误差被合法监听器E获得部分的信道状态信息；假设合法监听器E对于所述信道状态信息的了解局限于下述子集：其中，εei，εaj为信道估计质量的决定因子，为估计值Δgi，Δhj为信道估计误差。3.根据权利要求1所述的一种基于认知无线网络的鲁棒主动监听系统，其特征在于：所述次级发送机ST采用自适应速率传输，设次级发送机ST的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏思婕，肖子威，吴伟，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32