主信道非理想估计时基于人工噪声的协作网络功率分配法制造技术

本发明专利技术公开了一种主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法。本发明专利技术通过加入协作干扰器机发送干扰信号建立协作关系，协作干扰机利用理想信道估计方法估计得到的信道状态信息设计干扰信号，发挥干扰作用；发射源按理想信道估计条件下优化得到的最优功率分配比设计发射信号，经过存在估计误差的信道后系统达到的安全传输速率，比较该安全传输速率与理想信道估计条件下系统安全速率的差距，验证考虑主信道信道估计存在误差的重要性，提出更可靠，更实际的功率分配方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息技术安全领域，尤其涉及一种主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法。
技术介绍
无线媒介的广播特性导致无线通信面临特别容易被窃听的安全威胁，给无线系统设计带来巨大挑战。在无线环境下实现安全可靠的通信已经成为一个关键问题。传统的安全问题是通过基于网络安全协议的上层加密技术解决的。这些方法在密钥分配和管理的过程依然存在漏洞。同时，随着计算机的计算能力不断增强，已有的安全加密算法面临被破解的风险。在此背景下，通过探索无线信道的唯一的物理性能，物理层安全可以支持高度安全的传输，并且被确定为加密技术的重要补充。首先，Wyner等人在1975年提出的wire-tap信道模型奠定了物理层安全传输的基础，证明了利用无线信道的物理特性可以实现保密消息的安全传输。当主通信信道(定义为发射源到合法接收者的信道)比窃听信道(定义为发射源到窃听者的信道)具有更高的可靠性的时候，合法接收者可以实现可靠解码，而窃听者无法进行可靠解码。在目前的研究中，通常利用信号处理技术改变主信道和窃听信道质量从而实现物理层安全传输。在传输保密消息的过程中，常用的信号处理技术包括安全预编码(Secrecy Precoding)和安全波束成形(Secrecy Beamforming)，主要的思想是沿着特定的空间维度发射有用信号，最大化主信道和窃听信道的信道质量差别，从而实现最大的安全容量(Secrecy Capacity)。例如《Outage Constrained Secrecy Rate Maximization Using Artificial-Noise Aided Beamforming and Cooperative Jamming》研究了基于人工噪声辅助波束成形的协作干扰模型在中断概率约束下，最大化安全速率的优化问题。然而，目前的安全传输设计主要基于可以得到信道状态信息(Channel State Information,CSI)的理想信道估计的假设。然而在实际的应用中，该假设并不合理。针对主信道是非理想信道估计的情况，考虑与实际信道存在误差的估计得到的信道设计的人工噪声向量会对合法接收者产生不可避免的影响，这会导致合法接收者的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)降低。因此，在考虑主信道是非理想信道估计的情况下研究有用信号和人工噪声信号之间合理功率分配对系统实际安全性能有重要的影响。
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，提供一种主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法，通过加入协作干扰器机发送干扰信号建立协作关系，协作干扰机利用理想信道估计方法估计得到的信道状态信息设计干扰信号，发挥干扰作用；发射源按理想信道估计条件下优化得到的最优功率分配比设计发射信号，经过存在估计误差的信道后系统达到的安全传输速率，比较该安全传输速率与理想信道估计条件下系统安全速率的差距，验证考虑主信道信道估计存在误差的重要性，提出更可靠，更实际的功率分配方案。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法，它包括以下步骤：S1：合法接收端同时向发射源发射端和协作干扰机发送导频序列，所述导频序列经过发射端到合法接收端的实际信道hb'，同时经过协作干扰机到合法接收端的实际信道hbc'；S2：发射端接收所述导频序列并做非理想信道估计得到非理想信道hb，即hb＝hb'+δb；协作干扰机接收导频序列并做理想信道估计得到理想信道hbc，即hbc＝hbc'，记其中代表随机向量的协方差矩阵；S3：发射端利用信道矩阵hb设计发射信号s并发射，协作干扰机分别利用信道矩阵hbc设计发射信号sc并发射，发射信号s、sc分别经过hb'、hbc'到达合法接收端，同时发射信号s、sc分别经过窃听信道he、hec到达窃听端；S4：合法接收端接收信号为yb并计算信干噪比，表示为γb(φ)，根据发射信号的设计原则可知简化表达式，合法接收端的接收信号表示为 y b = ( h b ′ ) H s + ( h b c ′ ) H s c + n b = ( h b - δ b ) H s + h b c H s c 本文档来自技高网...

【技术保护点】
主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1：合法接收端同时向发射源发射端和协作干扰机发送导频序列，所述导频序列经过发射端到合法接收端的实际信道hb'，同时经过协作干扰机到合法接收端的实际信道hbc'；S2：发射端接收所述导频序列并做非理想信道估计得到非理想信道hb，即hb＝hb'+δb；协作干扰机接收导频序列并做理想信道估计得到理想信道hbc，即hbc＝hbc'，记其中代表随机向量的协方差矩阵；S3：发射端利用信道矩阵hb设计发射信号s并发射，协作干扰机分别利用信道矩阵hbc设计发射信号sc并发射，发射信号s、sc分别经过hb'、hbc'到达合法接收端，同时发射信号s、sc分别经过窃听信道he、hec到达窃听端；S4：合法接收端接收信号为yb并计算信干噪比，表示为γb(φ)，根据发射信号的设计原则可知简化表达式，合法接收端的接收信号表示为yb=(hb′)Hs+(hbc′)Hsc+nb=(hb-δb)Hs+hbcHsc+nb=hbHs-δbHs+hbcHsc+nb=hbHs-δbHs+nb]]>其中，nb,ne～CN(0,1)分别代表噪声对合法接收端和窃听端的影响；发射端发射信号s中的人工噪声信号部分应对合法接收端没有任何影响，故满足：s=Paφvx+Pa(1-φ)Na-1Nvn]]>其中，Pa表示发送端的发送功率约束；φ∈[0,1]表示Pa的功率分配比；x～CN(0,1)和分别表示高斯码本的数据信号和高斯噪声向量，并且是相互独立的；等式右边第一项表示信息轴方向的信号，其中第二项表示人工噪声向量，其中的列向量构成的零空间的标准正交基；干扰机端发射信号sc也应对合法接收机没有任何影响，即所以sc表示为sc=PcNc-1Wz]]>其中Pc表示CJ的发送功率约束；W的列向量形成了的零空间的标准正交基；表示一个高斯噪声向量；合法接收端的信干燥比SINR可以表示成γb(φ)=Paφ||hb||21+Pa(1-φ)Na-1|δbHNv|2]]>已知且的列向量构成的零空间的标准正交基，从而得到故γb(φ)=Paφ||hb||21+Pa(1-φ)Na-1σ2]]>由于系统只知道窃听信道的统计信息，窃听端的接收信号和信干噪比仍为理想信道估计条件下的结果，分别为：ye=heHs+hecHsc+ne;]]>γe(φ)=Paφ|heHv|21+Pa(1-φ)Na-1|heHNv|2+PcNc-1||hecHW||2;]]>要实现安全中断容量最大化，该优化问题可以等价为一个功率分配问题，描述如下：max0≤φ≤1Rs=log2(1+γφ1+μ)]]>s.t.Pr(γe(φ)＞μ)＝ε,0≤Rs≤Cb.其中γ＝Pa||hb||2，Rs表示安全传输速率，ε表示安全中断概率约束，Cb＝log2(1+γb(φ))表示主信道的信道容量，表示和中断概率有关的阈值；求解安全中断概率约束为：ln(1ϵ)=ωPa+ln[1+(1-φ)ω]+3ln(1+ωd)]]>其中和由上式看出ω是一个关于φ的隐函数，且显然ω(φ)＞0，则功率分配问题的公式就表示成：Rs=log2(1+γb(φ)1+φω(φ));]]>S5：计算理想信道估计条件下发射端发射功率的最优分配比φ*，以及该功率分配比时的最大安全传输速率Rs*；S6：按理想信道估计条件下最优功率分配比φ*设计发送信号，并计算该发送信号经过与估计信道存在估计误差的实际信道时系统达到的安全传输速率Rs'，即将理想信道估计条件下的φ*代入公式步骤S4中的最后一个公式得到Rs'＝Rs(φ*)。S7：比较Rs'与Rs*，得出结论。...

【技术特征摘要】
1.主信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1：合法接收端同时向发射源发射端和协作干扰机发送导频序列，所述导频序列经过发射端到合法接收端的实际信道hb'，同时经过协作干扰机到合法接收端的实际信道hbc'；S2：发射端接收所述导频序列并做非理想信道估计得到非理想信道hb，即hb＝hb'+δb；协作干扰机接收导频序列并做理想信道估计得到理想信道hbc，即hbc＝hbc'，记其中代表随机向量的协方差矩阵；S3：发射端利用信道矩阵hb设计发射信号s并发射，协作干扰机分别利用信道矩阵hbc设计发射信号sc并发射，发射信号s、sc分别经过hb'、hbc'到达合法接收端，同时发射信号s、sc分别经过窃听信道he、hec到达窃听端；S4：合法接收端接收信号为yb并计算信干噪比，表示为γb(φ)，根据发射信号的设计原则可知简化表达式，合法接收端的接收信号表示为 y b = ( h b ′ ) H s + ( h b c ′ ) H s c + n b = ( h b - δ b ) H s + h b c H s c + n b = h b H s - δ b H s + h b c H s c + n b = h b H s - δ b H s + n b ]]>其中，nb,ne～CN(0,1)分别代表噪声对合法接收端和窃听端的影响；发射端发射信号s中的人工噪声信号部分应对合法接收端没有任何影响，故满足： s = P a φ v x + P a ( 1 - φ ) N a - 1 N v n ]]>其中，Pa表示发送端的发送功率约束；φ∈[0,1]表示Pa的功率分配比；x～CN(0,1)和分别表示高斯码本的数据信号和高斯噪声向量，并且是相互独立的；等式右边第一项表示信息轴方向的信号，其中第二项表示人工噪声向量，其中的列向量构成的零空间的标准正交基；干扰机端发射信号sc也应对合法接收机没有任何影响，即所以sc表示为 s c = P c N c - 1 W z ]]>其中Pc表示CJ的发送功率约束；W的列向量形成了的零空间的标准正交基；表示一个高斯噪声向量；合法接收端的信干燥比SINR可以表示成 γ b ( φ ) = P a φ | | h b | | 2 1 + P a ( 1 - φ ) N a - 1 | ...

【专利技术属性】
技术研发人员：章露萍，文红，张金玲，潘绯，廖润发，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51