本发明专利技术请求保护一种多窃听用户认知网络中基于SDP的物理层安全优化方案，涉及认知无线通信系统。针对具有多个多天线窃听者的认知无线电网络(CRN)，为了使系统保密速率达到最大，把对主用户的干扰设计成为一个约束条件，通过对次用户发送端传输协方差矩阵的优化设计来提高物理层安全性能。在已知信道状态信息(CSI)时，利用矩阵性质和Charnes-Cooper变换，将该非凸函数转化为一个半定规划(SDP)，从而得到次用户发送端的优化方案。仿真结果表明，相对于现有二次优化传输策略，该方案能够使系统的保密速率更大，并在复杂度方面具有优势。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于认知无线通信领域，尤其涉及认知无线电技术中物理层安全技术。
技术介绍
认知无线电（CognitiveRadio,CR)是解决当前频谱资源紧张的一种有效方法。 认知无线电网络物理层传输技术的革新，为物理层安全的研究提供了广泛的课题和研究空 间。目前传统的基于认知无线电物理层安全选择的窃听端都为单天线，此模型较为单一。而 且在现有文献中，对于次用户发送端传输协方差矩阵设计的方法有限，复杂度较高。 在认知无线电网络（CRN)中，次用户发送端（SU-Tx)在保证对主用户（PU)的通 信不造成严重干扰的同时并保证用户服务质量（QoS)，可以使用已分给主用户的频段与次 级用户接收端（SU-Rx)进行通信。发送端在不被窃听的情况下发送保密信息给合法接收 端，用合法接收端信息速率与窃听端信息速率的差值作为安全性能指标，而影响差值的因 素主要是窃听端的信息速率，窃听端的信息速率越小，差值越大，安全性就越高.IEEEsignalprocessingmagazine，2013,31 (3):147-156] 〇 很多文献通过全局优化算法来优化功率分配，即保密容量最大（SRM)的关键在于解决拟 凸问题，而MIS0环境下则主要采用封闭式的方式解决SRM问题.IEEE41st AnnualConferenceonInformationSciencesandSystems(CISS2007),Baltimore, MD, 2007:905 - 910]，而此种次优化方法性能相对较差。而很多文献将次用户的安全优化问 题转化为一个半定规划问题，研究了噪声辅助下MIS0认知无线电网络的物理层安全性能， 而此种方法的计算复杂度也相对较高。本专利技术则针对这些问题提出了一种新型的安全优化 方案。
技术实现思路
针对现有技术的不足，提出了一种优化次用户发送端（SU-Tx)传输协方差矩阵， 可以有效地提高信道的安全性能，并降低运算复杂度的多窃听用户认知网络中基于SDP的 物理层安全优化方法。本专利技术的技术方案如下：一种多窃听用户认知网络中基于SDP的物 理层安全优化方法，其包括以下步骤： 101、在发送端采用多个多天线窃听用户下多输入单输出MIS0模型（图1为单 输入多输出），包括一个具有队个天线的次用户发送机SU-Tx，一个单天线次用户接收机 SU-Rx，一个单天线主用户接收机PU-Rx和K个具有凡根天线窃听用户ED-Rx，次用户发送 机SU-Tx通过Nt个天线将发射信号eC~xl发送给单天线次用户接收机SU-Rx、单天 线主用户接收机PU-Rx和K个具有Ne根天线的窃听用户ED-Rx; 102、单天线次用户接收机su-Rx接收到的信号为ysM=/\ux⑷+1\⑷⑴，单 天线主用户接收机PU-Rx接收到的信号为yp (Y) =Y/x+np (Y)，0彡 K个具有Ne根天线的窃听用户ED-Rx接收到的信号为+ k= 1，2,…，K，（3)其中，/isH、<e(CA;xl分别表示次用户发送端到次用户和 主用户接收端的信道增益；表示次用户发送端到窃听端的信道矩阵， nsG),np(〇eC,14(fc)eC5分别为次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的 加性高斯白噪声，K表示窃听者的数目； 103、发送信号x(t)的传输协方差为W=E{x(t)x(t)H}，r为主用户PU-RX的干 扰温度约束，P是次用户SU-TX的平均发射功率约束，用fk(W)表示次用户接收端获得信息 速率与第k个窃听用户获得信息速率的差值(4) 其中，故表示W为半正定矩阵，Tr(W)为矩阵的迹运算，det(X)表示X的行列式， 则保密速率最大SRM的传输协方差矩阵为(5)R*⑵表示优化目标函数 104、对步骤103中的保密速率最大SRM的传输协方差矩阵采用次优化方法， 即采用投影最大比例传输算法来求解，使用所有窃听用户联合信道的零空间来设定W， 满足砹▼=〇,窃听用户总的联合信道矩阵为G = [Gi，G2，…，GJ，而G的正交补投影为 11。，则采用投影最大比例传输算法传输预编码的权值为：(6) ya表示系数于是取W=a]i]iH，a的具体取值为： 此外，如果联合保密速率为正，则设定权值为W=aW，其中 ，其他情况则设定权值w= 0 ; 105、将SRM问题进行变换得到 利用KKT条件和定理得到一个SDP问题，令W=Z/| ;y \P)表示优化目标函数 如果传输协方差矩阵W的秩为1，输出保密速率，如果不为1，则结束。进一步的， 步骤105中保密速率最大化问题求解算法具体为： 首先，利用矩阵行列式性质，将保密速率最大化问题即非凸函数 进行缩放，转化为 其次，缩放后的式子中令W=Z/I，转化为半定规划SDP问题； 利用Charnes-Cooper变换成标准式； 接下来，利用CVX工具箱求解得到传输协方差矩阵W; 最后，判断W的秩是否为1 ;如果为1，则利用式子求出信道保密速率；如果不为1，则不 能进行特征值分解。 本专利技术的优点及有益效果如下： 本专利技术在现有单天线窃听用户的基础上，将其扩展为多个多天线窃听用户，采用 本专利技术的SDP算法得到的保密速率相对于次优化算法更高，即安全性更好，而且算法的复 杂度较低。【附图说明】 图1是本专利技术提供实施例MISO认知无线电网络模型； 图2为算法流程图； 图3为不同优化方法下窃听用户数目对保密速率的影响； 图4为不同优化方法下窃听信道方差（K)对保密速率的影响； 图5为不同优化方法下发射功率P对保密速率的影响； 图6为不同优化方法下主用户干扰温度门限r对保密速率的影响； 图7不同传输天线对于不同算法时间复杂度的影响。【具体实施方式】 以下结合附图，对本专利技术作进一步说明： 图1步骤一、该方案的系统为多个多天线窃听用户下多输入单输出（MIS0)模型。 由一个具有Nt天线次用户发送机（SU-Tx)，一个单天线次用户接收机SU-Rx，一个单天线主 用户接收机PU-Rx和K个具有Ne天线窃听用户（ED-Rx)。 步骤二、x⑴为次用户发送端的发送信号，根据图1，次用户SU-Rx、主用户 PU-Rx和第k个窃听用户ED-Rx的接收信号分别为： 其中，hs，，分别表示次用户发送端到次用户和主用户接收端的信道增益； ?表示次用户发送端到窃听端的信道矩阵。~⑴，np(〇SCX(fc)S(^分别为次用户接 收端、主用户接收端和窃听用户接收端的加性高斯白噪声。本专利技术假定所有噪声的均值为 〇 方差为l，SP，E{|n(t) |2} =l，E{Vk(t)Vk(t)H} =I;K表示窃听者的数目。 步骤三、发送信号x(t)的传输协方差为W=E{x(t)x(t)H}，r为主用户PU-Rx的 干扰温度约束，P是次用户SU-Tx的平均发射功率约束。 用fk(W)表示次用户接收端获得信息速率与第k个窃听用户获得信息速率的差值:(4) 其中，表示W为半正定矩阵，Tr(W)为矩阵的迹运算，det(X)表示X的行列式。 则保密速率最大（SRM)的传输协方差矩阵设计为 (5) 步骤四、一般地，SRM问题主要采用次优化方法，即采用投影最大比例传输 (projected-MRT)当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多窃听用户认知网络中基于SDP的物理层安全优化方法，其特征在于，包括以下步骤：101、在发送端采用多个多天线窃听用户下多输入单输出MISO模型，包括一个具有Nt个天线的次用户发送机SU‑Tx，一个单天线次用户接收机SU‑Rx，一个单天线主用户接收机PU‑Rx和K个具有Ne根天线窃听用户ED‑Rx，次用户发送机SU‑Tx通过Nt个天线将发射信号发送给单天线次用户接收机SU‑Rx、单天线主用户接收机PU‑Rx和K个具有Ne根天线的窃听用户ED‑Rx；102、单天线次用户接收机SU‑Rx接收到的信号为，单天线主用户接收机PU‑Rx接收到的信号为K个具有Ne根天线的窃听用户ED‑Rx接收到的信号为ye,k(t)=GkHx(t)+Vk(t),k=1,2,...,K,---(3)]]>其中，分别表示次用户发送端到次用户和主用户接收端的信道增益；表示次用户发送端到窃听端的信道矩阵，分别为次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的加性高斯白噪声，K表示窃听者的数目；103、发送信号x(t)的传输协方差为W＝E{x(t)x(t)H}，Γ为主用户PU‑Rx的干扰温度约束，P是次用户SU‑Tx的平均发射功率约束，用fk(W)表示次用户接收端获得信息速率与第k个窃听用户获得信息速率的差值fk(W)=lg(1+hsHMhs)-lgdet(I+GkHWGk)---(4)]]>其中，W≥0表示W为半正定矩阵，Tr(W)为矩阵的迹运算，det(X)表示X的行列式，则保密速率最大SRM的传输协方差矩阵为R*(P)=maxWmink=1,2,...,Kfk(W)s.t.W≥0Tr(W)≤PhpHWhp≤Γ---(5)]]>R*(P)表示保密速率最大化目标函数104、对步骤103中的保密速率最大SRM的传输协方差矩阵采用次优化方法，即采用投影最大比例传输算法来求解，使用所有窃听用户联合信道的零空间来设定W，满足窃听用户总的联合信道矩阵为G＝[G1,G2,…,GK]，而G的正交补投影为则采用投影最大比例传输算法传输预编码的权值为：μ=P||ΠG⊥hs||2ΠG⊥hs---(6)]]>于是取W＝αμμH，a的具体取值为：α=ΓhpHhp(hpH*W*hp)<Γ1(hpH*W*hp)>=Γ]]>此外，如果联合保密速率为正，则设定权值为W＝αW，其中α=1hpHWhp≤ΓΓhpHWhphpHWhp>Γ,]]>其他情况则设定权值W＝0；105、将SRM问题进行变换得到γ*(P)=minW≥0hpHwhp≤ΓTr(W)≤Pmaxk=1,...,Kdet(I+GkHWGk)1+hsHWhs]]>利用KKT条件和定理得到一个SDP问题，令W＝Z/ξ；γ*(P)表示最优化值的目标函数minZ,ξ,ττs.t.ξ+Tr(GkGkHZ)≤τ,k=1,...,K,ξ+Tr(hshsHZ)=1Tr(Z)≤ξPhpHhpZ≤ΓξZ≥0,ξ>0]]>如果传输协方差矩阵W的秩为1，输出保密速率，如果不为1，则结束。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢显中，谢成静，胡强，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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