5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法技术方案

本发明专利技术公开一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，第一阶段：多天线基站端利用波束形成技术同时在下行链路上发送人工干扰和人工噪声信号；单天线用户端完成对基站端发射信号的接收，并将接收到的信号加扰到待发的保密信号上以形成混合发射信号；第二阶段：用户端广播这一混合发射信号；基站端完成对混合发射信号的接收。由于基站端已知自身所发人工干扰信号，因而能够从接收信号中分离出期望的保密信号。而单天线无源窃听端在两阶段传输过程中接收到的均为混合信号，且无法获知关于人工干扰和人工噪声信号的任何先验信息，为此其窃取保密信息的可能性较低，从而最终有效保障了5G上行链路单输入多输出系统的传输安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线通信系统的安全传输方法，尤其涉及一种针对时分双工模式 下的5G上行单输入多输出（snro)无线通信系统的安全传输方法。
技术介绍
无线通信技术在为人们的日常生产、生活带来便利的同时，也不可避免地因其物 理传输的无界性，给通信双方带来了通信内容易于失窃的困扰。随着无线通信技术发展程 度和普及程度的日益加深，通信的安全问题也愈加被重视起来。采用何种手段来有效防范 信息的泄漏、确保信息的安全传输将成为一项长期的焦点性研究课题。 作为5G无线通信中一项最具前景的关键技术，大规模多输入多输出（Massive Multiple-InputMultiple-Output，MassiveMIM0)技术已受到来自学术界和工业界越来 越广泛的关注。在此技术背景下，5G系统基站端得以配置大规模天线阵，从而5G下行通信 的物理层安全传输可以得到有效保障，相关研究成果也在近五年内大量涌现。然而，由于用 户端有限的发射功率和传输天线数，罕有文献能够给出有效的技术手段来保证5G上行传 输的安全性。 现有的无线物理层安全传输技术大致有密钥技术和多天线技术两大类。密钥 技术方面，在2012年8月IEEETransactionsonInformationTheory上发表的题为 ((Feedback-basedcollaborativesecrecyencodingoverbinarysymmetricchannels)) 的文献中，提出了一种基于密钥反馈的系统安全性能增强策略。尽管这一策略利用了目的 端反馈到源端的密钥，并有效保证了源端保密信号传输的安全性，但只能服务于单天线节 点组成的通信系统，且仅能为系统带来有限的安全性能提升。在多天线技术大类中，人工 噪声辅助的防窃听技术又是一个较为重要的分支。在2010年10月IEEETransactions onVehicularTechnology上发表的题为〈〈Securetransmissionwithartificialnoise overfadingchannels:Achievablerateandoptimalpowerallocation》的文献中，提 出了一种基于人工噪声最优功率注入的系统安全传输策略。尽管这一策略在完成保密信号 和人工噪声信号之间最优功率配比的基础上，可以实现对系统可达安全速率的最大化，但 是不能服务于由单天线源端和多天线目的端组成的snro无线通信系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对时分双工模式下的5G上行单输入多输出（S頂0)无线通信 系统，提出一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，以解决现有无线物 理层安全传输技术无法直接适用于5G上行通信系统，或者只能带来有限安全性能增益的 问题。 为达到以上目的，本专利技术是采用如下技术方案予以实现的： -种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，所述5G通信系统包 含有一个单天线用户节点Alice，一个M根天线基站节点Bob，以及一个单天线无源窃听节 点Eve;所述5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法包括以下步骤： 步骤1，单天线用户节点Alice向基站节点Bob发送包含有反馈信号发射请求信 息和导频序列信息的混合信息；基站节点Bob利用导频序列信息估计出从单天线用户节点 Alice到基站节点Bob的M维列向量信道信息； 步骤2,基站节点Bob利用估计出的小尺度信道信息hAB，设计出安全传输第一阶段 的M维反馈信号矢量为其中0e(〇, 1)为预先设定的人工 干扰反馈信号和人工噪声反馈信号之间的功率分配因子，PB为基站节点Bob的信号发射功 率，W=h: /|h4s||表示下行反馈链路最大比发射的波束形成权值矢量，z为分布满足零均 值单位方差的随机复高斯AI信号，表示基站节点Bob到单天线用户节点Alice 小尺度信道的零空间矩阵且=I，为M-1维随机AN信号列矢量，矢量 的每个随机元素均相互独立地服从均值为〇方差为1的复高斯分布； 步骤3,单天线用户节点Alice和窃听节点Eve分别完成对基站节点Bob 反馈信号的接收：单天线用户节点Alice在安全传输第一阶段接收到的信号为其中r代表单天线用户节点A1ice与窃听节点Eve之间 的距离，a表示无线信道大尺度衰落的路径衰减因子，a多2叫为单天线用户节 点Alice处的接收噪声；对应地，窃听节点Eve在安全传输第一阶段接收到的信号为其中:rBE表示基站节点Bob到窃听节 点Eve之间的距离，gieCM1代表窃听节点Eve到基站节点Bob之间的小尺度衰落信道， 七!为窃听节点Eve处的接收噪声； 步骤4,在安全传输的第二阶段，单天线用户节点Alice设计并广播信号这里nG(〇, 1)表示保密信号s与归一化 干扰信号之间的功率分配因子，PA代表单天线用户节点Alice端信号发射功率，为随机 噪声1^的方差； 步骤5,基站节点Bob和窃听节点Eve分别完成对单天线用户节点Alice 广播信号的接收：基站节点Bob在安全传输第二阶段接收到的矢量混合信号为>其中nB表示基站节点 Bob处的接收噪声；相应地，窃听节点Eve在安全传输第二阶段接收到的标量混合信号为，其中rAE代表单天线用户 节点Alice和窃听节点Eve之间的距离，g」￡.eCul表示单天线用户节点Alice和窃听节点 Eve之间的小尺度衰落信道，/?;.为窃听节点Eve在安全传输第二阶段的接收噪声。 当进行到下一保密信号的传输阶段时，自动重复步骤1到步骤5中的过程。 -种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，包括以下步骤： 首先，在安全传输的第一阶段，多天线基站端利用波束形成技术同时在下行链路 上发送人工干扰和人工噪声信号； 然后，单天线用户端完成对基站端发射信号的接收，并将接收到的信号加扰到待 发的保密信号上以形成混合发射信号； 其次，在安全传输的第二阶段，单天线用户端广播这一混合发射信号； 最后，上行多天线通信基站端完成对混合发射信号的接收，多天线通信基站利用 最大似然检测方法，从混合发射信号中准确地估计出保密信号。 与现有技术中已有物理层安全传输方案相比，本专利技术的优点在于： 1、本专利技术在安全传输方案设计上，同时考虑并利用到了无线信道的大尺度和小尺 度衰落信息。 2、在保密信息安全传输保障上，本专利技术仅利用到了目的端随机信号的反馈。与已 有基于密钥反馈的安全传输方案相比，本专利技术无需在收发双方之间进行必要的密钥协商或 者预共享操作，降低了系统的资源消耗。 3、在反馈信号的使用上，本专利技术所设计方案仅在保密信号传输的第二阶段，对在 第一阶段接收到的包含有反馈随机信号的混合信号，进行无差别化的能量归一化处理。本 专利技术在保证系统安全性能的同时，没有附加其它硬件和功率损耗。 4、本专利技术利用到了目的端的多天线优势，与常规的基于单天线目的端密钥反馈的 安全传输方案相比，能够有效增强系统安全性能。 5、在目的端天线阵使用上，本专利技术设计使用了人工干扰波束形成和人工噪声注入 这一联合技术，充分地利用了目的端的发射自由度。 6、两阶段传输功率配置方面，本专利技术在最差安全传输场景下，以最大化系统各态 历经安全速率为目标，分别完成了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，其特征在于，所述5G通信系统包含有一个单天线用户节点Alice，一个M根天线基站节点Bob，以及一个单天线无源窃听节点Eve；所述5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法包括以下步骤：步骤1，单天线用户节点Alice向基站节点Bob发送包含有反馈信号发射请求信息和导频序列信息的混合信息；基站节点Bob利用导频序列信息估计出从单天线用户节点Alice到基站节点Bob的M维列向量信道信息；步骤2，基站节点Bob利用估计出的小尺度信道信息hAB，设计出安全传输第一阶段的M维反馈信号矢量为其中β∈(0,1)为预先设定的人工干扰反馈信号和人工噪声反馈信号之间的功率分配因子，PB为基站节点Bob的信号发射功率，表示下行反馈链路最大比发射的波束形成权值矢量，z为分布满足零均值单位方差的随机复高斯AI信号，表示基站节点Bob到单天线用户节点Alice小尺度信道的零空间矩阵且ΨHΨ＝I，为M‑1维随机AN信号列矢量，矢量的每个随机元素均相互独立地服从均值为0方差为1的复高斯分布；步骤3，单天线用户节点Alice和窃听节点Eve分别完成对基站节点Bob反馈信号的接收：单天线用户节点Alice在安全传输第一阶段接收到的信号为其中r代表单天线用户节点Alice与窃听节点Eve之间的距离，α表示无线信道大尺度衰落的路径衰减因子，α≥2；nA为单天线用户节点Alice处的接收噪声；对应地，窃听节点Eve在安全传输第一阶段接收到的信号为yE1=βPBrBE-α/2gEBThAB*||hAB||z+(1-β)PBM-1rBE-α/2gEBTΨt+nE1,]]>其中rBE表示基站节点Bob到窃听节点Eve之间的距离，代表窃听节点Eve到基站节点Bob之间的小尺度衰落信道，为窃听节点Eve处的接收噪声；步骤4，在安全传输的第二阶段，单天线用户节点Alice设计并广播信号aA=ηPAs+(1-η)PAβPBr-α/2||hAB||z+nAβPBr-α||hAB||2+σA2,]]>这里η∈(0,1)表示保密信号s与归一化干扰信号之间的功率分配因子，PA代表单天线用户节点Alice端信号发射功率，为随机噪声nA的方差；步骤5，基站节点Bob和窃听节点Eve分别完成对单天线用户节点Alice广播信号的接收：基站节点Bob在安全传输第二阶段接收到的矢量混合信号为yB2=ηPAr-α/2hABs+(1-η)PAr-α/2hABβPBr-α/2||hAB||z+nAβPBr-α||hAB||2+σA2+nB,]]>其中nB表示基站节点Bob处的接收噪声；相应地，窃听节点Eve在安全传输第二阶段接收到的标量混合信号为yE2=ηPArAE-α/2gAEs+(1-η)PArAE-α/2gAEβPBr-α/2||hAB||z+nAβPBr-α||hAB||2+σA2+nE2,]]>其中rAE代表单天线用户节点Alice和窃听节点Eve之间的距离，表示单天线用户节点Alice和窃听节点Eve之间的小尺度衰落信道，为窃听节点Eve在安全传输第二阶段的接收噪声。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王文杰，刘超文，邓浩，吴飞龙，杨斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61