多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法技术

本发明专利技术公开了多小区网络中基于协作干扰的安全通信方法。假设小区1中的基站BS1和目标用户Rx1是合法通信的双方，BS1向Rx1传输保密消息。为了提高保密消息的安全性，BS1和其他小区的基站建立协作关系，利用协作基站产生的人工噪声AN对窃听节点进行干扰。同时协作基站在有用信号和AN信号之间进行功率调整，在保证安全性能的基础上，尽可能向本小区用户提供服务质量保障。在发射端仅知道窃听节点统计信道信息的条件下，实现了多小区网络中保密消息的安全传输。进一步，在保证安全性能的基础上，尽量保障协作基站的目标用户得到可靠的服务质量。考虑到无线衰落环境中信道增益的动态变化，本发明专利技术提出的协作方案具有动态自适应的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息技术安全领域，特别是一种多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法。
技术介绍
无线信道的广播特性导致无线通信面临被窃听的风险，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传输已经成为一个关键问题。过去通常在无线网络协议栈的上层(例如，用户层)利用加密技术实现安全通信，然而在密钥分发和管理的过程依然面临风险。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，物理层安全技术被用于加强无线通信系统的安全性。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。如果主信道(定义为源节点到目的节点的信道)比窃听信道(定义为源节点到窃听节点的信道)具有更高的可靠性，那么目的节点可以实现可靠解码，而窃听节点无法进行可靠解码。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的信道质量，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(SecrecyPrecoding)和安全波束成型(SecrecyBeamforming)，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(SecrecyCapacity)。例如《BaseStationCooperationforConfidentialBroadcastinginMulti-CellNetworks》研究了多小区协作广播；《Acooperativejammingprotocolforphysicallayersecurityinwirelessnetworks》提出了一种协作干扰机制，目的是最大化主信道和窃听信道的信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)差别；《SecrecyrateoptimizationsforaMIMOsecrecychannelwithacooperativejammer》研究了协作干扰模型下，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窃听节点信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)已知的假设。然而在实际的应用中，该假设并不合理。针对仅知道窃听信道统计CSI的情况，安全中断(SecrecyOutage，定义为保密消息的传输速率大于安全容量的情况)无法避免，因此常采用安全中断容量(SecrecyOutageCapacity，定义为满足某个安全中断概率条件下，最大的安全传输速率)作为安全性能的衡量指标。在这种情况下，利用人工噪声(ArtificialNoise,AN)技术可以恶化窃听信道的信道质量。但是发射AN会消耗功率资源，在发射端功率受限的情况下，用于发射AN的功率越大，意味着用于传输保密消息的功率越小，这会导致目的节点信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio,SINR)降低。因此，在有用信号和AN信号之间进行合理的功率分配对安全性能有重要的影响。然而，当前功率分配或功率控制方法的研究主要针对传统的三节点安全传输模型，无法适用于多小区安全传输的场景。此外，与传统的协作干扰场景不同的是，多小区网络中的基站(BaseStation,BS)除了作为协作干扰节点(CooperativeJammer,CJ)协助其他基站进行安全传输，还需要向本小区的用户提供服务质量保障(QoS)。另外，小区之间的干扰会严重影响保密消息的安全性能。因此，目前的三节点安全传输模型和协作干扰机制都无法直接应用于多小区网络场景。实际上，对于多小区网络中的协作干扰机制设计是一个开放的问题，目前研究得并不充分。
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，提供一种多小区网络中基于协作干扰的安全通信方法，通过基站之间建立协作关系，协作基站在发射有用信号和AN信号之间进行功率调整，在保证安全性能的基础上，尽可能向本小区用户提供服务质量保障。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法，假设小区基站BS1向Rx1发送保密消息，系统中存在一个被动的窃听节点对该消息进行窃听，另一个小区的基站BS2作为协作基站发射AN协助BS1传输保密消息，同时向该小区中的用户Rx2提供服务；假设BS1、Rx1和BS2配有多根天线，天线数分别为Na、Nb和Nc，而窃听节点和Rx2仅配有单根接收天线，设主信道用表示，BS1到Rx2之间的信道用表示；BS2到Rx1和Rx2之间的信道分别用和假设通过基站间协作，BS1和BS2可以获取这些信道信息；假设BS1和BS2仅知道窃听节点的信道统计信息，其中窃听信道用表示，BS2到窃听节点之间的信道用表示；假设he1和he2相互独立，均服从零均值循环对称复高斯分布，记为he1,he2～CN(0,ΓeI)，其中ΓeI代表随机向量的协方差矩阵；假设BS1仅向Rx1发送一个数据流；此外，为了不对Rx1形成干扰，假设BS2采用迫零波束成型发射信号，设BS1和BS2的发射信号向量分别为和Rx1、窃听节点和Rx2的接收信号分别表示为y1＝H11s1+H12s2+n1ye=he1Hs1+he2Hs2+ne---(1)]]>y2=h21Hs1+h22Hs2+n2]]>其中，n1～CN(0,I)代表噪声对Rx1的影响，ne,n2～CN(0,1)分别代表噪声对窃听节点和Rx2的影响，设u1代表信道H11经过奇异值分解后，最大奇异值对应的左奇异向量，假设Rx1利用该向量对接收信号y1进行接收组合，根据迫零波束成型的定义，要求它包括如下步骤：S1：当BS1有保密消息发送给Rx1时，BS1首先求解单小区场景下的安全中断容量Cs，并将Cs作为安全性能门限；S2：BS1向协作基站BS2发送协作请求信息；S3：协作基站BS2对协作请求信息进行确认；S4：BS1与协作基站BS2建立协作关系；S5：BS1向协作基站BS2发送主信道的信道信息H11，总发射功率P1，安全中断概率约束ε和安全性能门限Cs；同时，BS2将总发射功率P2反馈至BS1；此外，Rx1和协作基站的用户Rx2分别对信道h12和h21进行估计，并分别反馈至BS1和协作基站BS2，然后BS1和协作基站BS2交换信道信息h12和h21；S6：协作基站BS2判断在BS1采用SEM传输策略的情况下，如果BS2向Rx2提供服务，是否能够保证主信道的安全中断容量高于Cs，同时保证BS2的最大传输速率大于Rx2的最小目标传输速率Rc，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法，假设小区基站BS1向Rx1发送保密消息，系统中存在一个被动的窃听节点对该消息进行窃听，另一个小区的基站BS2作为协作基站发射AN协助BS1传输保密消息，同时向该小区中的用户Rx2提供服务；假设BS1、Rx1和BS2配有多根天线，天线数分别为Na、Nb和Nc，而窃听节点和Rx2仅配有单根接收天线，设主信道用表示，BS1到Rx2之间的信道用表示；BS2到Rx1和Rx2之间的信道分别用和假设通过基站间协作，BS1和BS2可以获取这些信道信息；假设BS1和BS2仅知道窃听节点的信道统计信息，其中窃听信道用表示，BS2到窃听节点之间的信道用表示；假设he1和he2相互独立，均服从零均值循环对称复高斯分布，记为he1,he2～CN(0,ΓeI)，其中ΓeI代表随机向量的协方差矩阵；假设BS1仅向Rx1发送一个数据流；此外，为了不对Rx1形成干扰，假设BS2采用迫零波束成型发射信号，设BS1和BS2的发射信号向量分别为和Rx1、窃听节点和Rx2的接收信号分别表示为y1＝H11s1+H12s2+n1ye=he1Hs1+he2Hs2+ne---(1)]]>y2=h21Hs1+h22Hs2+n2]]>其中，n1～CN(0,I)代表噪声对Rx1的影响，ne,n2～CN(0,1)分别代表噪声对窃听节点和Rx2的影响，设u1代表信道H11经过奇异值分解后，最大奇异值对应的左奇异向量，假设Rx1利用该向量对接收信号y1进行接收组合，根据迫零波束成型的定义，要求其特征在于：它包括如下步骤：S1：当BS1有保密消息发送给Rx1时，BS1首先求解单小区场景下的安全中断容量Cs，并将Cs作为安全性能门限；S2：BS1向协作基站BS2发送协作请求信息；S3：协作基站BS2对协作请求信息进行确认；S4：BS1与协作基站BS2建立协作关系；S5：BS1向协作基站BS2发送主信道的信道信息H11，总发射功率P1，安全中断概率约束ε和安全性能门限Cs；同时，BS2将总发射功率P2反馈至BS1；此外，Rx1和协作基站的用户Rx2分别对信道h12和h21进行估计，并分别反馈至BS1和协作基站BS2，然后BS1和协作基站BS2交换信道信息h12和h21；S6：协作基站BS2判断在BS1采用SEM传输策略的情况下，如果BS2向Rx2提供服务，是否能够保证主信道的安全中断容量高于Cs，同时保证BS2的最大传输速率大于Rx2的最小目标传输速率Rc，即判断BS2是否同时满足安全性能保障和QoS保障；S601：若BS2能够同时保证安全性能和Rx2的服务质量，则BS2向BS1发送反馈信息，说明即将采用的传输策略是“向Rx2提供服务”；S602：若BS2无法同时保证安全性能和Rx2的服务质量，则BS2向BS1发送反馈信息，说明即将采用完全干扰策略协助BS1进行安全传输；S7：BS1接收到反馈并进行安全传输方案选择；S701：若BS2采用完全干扰策略，则BS1采用基于AN辅助的波束成型策略，用一部分功率传输保密消息，用剩余功率产生AN；S702：若BS2向Rx2提供服务，则BS1采用SEM传输策略传输保密消息；S8：BS1和协作基站BS2进行同步，联合执行步骤S6和S7确定的协作传输方案；S9：考虑到无线衰落环境中信道状态随时间变化，每间隔一段时间，重新执行步骤S5‑S8，直到保密消息被Rx1完全接收。...

【技术特征摘要】
1.多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法，假设小区基站BS1向Rx1发送保密消
息，系统中存在一个被动的窃听节点对该消息进行窃听，另一个小区的基站BS2作为协作基
站发射AN协助BS1传输保密消息，同时向该小区中的用户Rx2提供服务；假设BS1、Rx1和BS2
配有多根天线，天线数分别为Na、Nb和Nc，而窃听节点和Rx2仅配有单根接收天线，设主信道
用表示，BS1到Rx2之间的信道用表示；BS2到Rx1和Rx2之间的信道分别
用和假设通过基站间协作，BS1和BS2可以获取这些信道信息；假设BS1
和BS2仅知道窃听节点的信道统计信息，其中窃听信道用表示，BS2到窃听节点之
间的信道用表示；假设he1和he2相互独立，均服从零均值循环对称复高斯分布，记为
he1,he2～CN(0,ΓeI)，其中ΓeI代表随机向量的协方差矩阵；假设BS1仅向Rx1发送一个数据
流；此外，为了不对Rx1形成干扰，假设BS2采用迫零波束成型发射信号，设BS1和BS2的发射
信号向量分别为和Rx1、窃听节点和Rx2的接收信号分别表示为
y1＝H11s1+H12s2+n1ye=he1Hs1+he2Hs2+ne---(1)]]>y2=h21Hs1+h22Hs2+n2]]>其中，n1～CN(0,I)代表噪声对Rx1的影响，ne,n2～CN(0,1)分别代表噪声对窃听节点和
Rx2的影响，设u1代表信道H11经过奇异值分解后，最大奇异值对应的左奇异向量，假设Rx1利
用该向量对接收信号y1进行接收组合，根据迫零波束成型的定义，要求其特征
在于：它包括如下步骤：
S1：当BS1有保密消息发送给Rx1时，BS1首先求解单小区场景下的安全中断容量Cs，并将
Cs作为安全性能门限；
S2：BS1向协作基站BS2发送协作请求信息；
S3：协作基站BS2对协作请求信息进行确认；
S4：BS1与协作基站BS2建立协作关系；
S5：BS1向协作基站BS2发送主信道的信道信息H11，总发射功率P1，安全中断概率约束ε
和安全性能门限Cs；同时，BS2将总发射功率P2反馈至BS1；此外，Rx1和协作基站的用户Rx2分
别对信道h12和h21进行估计，并分别反馈至BS1和协作基站BS2，然后BS1和协作基站BS2交换
信道信息h12和h21；
S6：协作基站BS2判断在BS1采用SEM传输策略的情况下，如果BS2向Rx2提供服务，是否
能够保证主信道的安全中断容量高于Cs，同时保证BS2的最大传输速率大于Rx2的最小目标
传输速率Rc，即判断BS2是否同时满足安全性能保障和QoS保障；
S601：若BS2能够同时保证安全性能和Rx2的服务质量，则BS2向BS1发送反馈信息，说明
即将采用的传输策略是“向Rx2提供服务”；
S602：若BS2无法同时保证安全性能和Rx2的服务质量，则BS2向BS1发送反馈信息，说明
即将采用完全干扰策略协助BS1进行安全传输；
S7：BS1接收到反馈并进行安全传输方案选择；
S701：若BS2采用完全干扰策略，则BS1采用基于AN辅助的波束成型策略，用一部分功率
传输保密消息，用剩余功率产生AN；
S702：若BS2向Rx2提供服务，则BS1采用SEM传输策略传输保密消息；
S8：BS1和协作基站BS2进行同步，联合执行步骤S6和S7确定的协作传输方案；
S9：考虑到无线衰落环境中信道状态随时间变化，每间隔一段时间，重新执行步骤S5-
S8，直到保密消息被Rx1完全接收。
2.根据权利要求1所述的多小区网络中基于协作干扰的安全传输方法，其特征在于：所
述的步骤S701中若BS2采用完全干扰策略，则BS1采用基于AN辅助的波束成型策略，由于引
入了协作基站BS2提供的AN信号，一定能够保证安全中断容量大于Cs；Rx1和窃听节点的接
收信号表示为
y1＝H11s1+H12s2+n1(2)
ye=he1Hs1+he2Hs2+ne]]>设计BS1和BS2的发射信号分别为
s1=P1φ1v1x1+P1(1-φ1)Na-1V2z1]]>(3)
s2=P2Nc-1W2z2]]>其中，x1～CN(0,1)代表BS1传输的数据流，P1和P2分别表示BS1和BS2的总发射功率；设
BS1功率分配系数为φ1,0≤φ1≤1，其中P1φ1用于传...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡林，文红，唐杰，詹思瑜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51