增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输方法技术方案

本发明专利技术提供了一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法，包括：获取系统中各节点的信道估计矩阵；确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；以保密容量作为性能指标，推导系统保密容量表达式；根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；转变优化函数，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。本发明专利技术在通信系统中利用合法双方辅助发送阻塞干扰和中继处构造两个波束赋形矩阵转发信息，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题，并且达到增强系统安全性的目的。

【技术实现步骤摘要】
增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输方法
本专利技术涉及通信
，具体涉及增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法。
技术介绍
协作无线通信系统中，每个节点至少拥有一个协作节点，协作节点间有责任帮助其他节点传递信息，这样，各单天线节点之间通过共享彼此的传输天线，构成虚拟的多输入多输出系统(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)，获得空间分集增益。合法的通信双方在中继的帮助下互换信息，可以大大增加通信范围；协作无线通信中继节点可以利用网络编码技术，合理利用时间自由度，节约时间成本，节约能源等。协作无线通信技术由于其对抗无线信道的衰落，扩大信号传输范围等优点，近几年受到学术界的广泛关注和研究。在无线通信系统中，由于无线通信媒介具有开放的基本特性，在保证信息安全方面比有线通信系统更具挑战性。协作无线通信系统中，传输信息被合法通信双方以外的不受合法通信双方严格监管的第三方节点接收，并且对信息处理和转发，引入的额外威胁会造成协作无线通信系统的安全问题更加复杂。传统基于密码系统的加密手段存在于分层模型的上层，其安全性主要依靠计算上的复杂度，随着拥有无限计算能力的量子计算机技术的发展及应用，传统加密体制的安全性能会遇到严峻的挑战，当拥有足够强的计算能力时，一旦窃听者接收到明文信息，将通过密码分析手段在短时间内获取密文，信息安全将无法得到保障。无线物理层安全技术利用无线信道的广播性、信道衰落性和多普勒效应等不利因素，从信息论角度出发，解决无线通信安全问题，无线系统物理层安全设计的目标是提升系统保密容量，而保密容量提升的实质就是使合法用户信道的接收信干噪比尽可能优于窃听信道的接收信干噪比，使得窃听者对于所传保密信息的模糊度尽可能提高，所以，对于保密容量的提升可以从两方面考虑，一方面是改善合法用户的接收，二是通过积极的干扰阻塞方案恶化窃听者接收，增加其接收到信息的模糊性。为了增大窃听者接收信号的模糊性，采用专门的干扰节点，或者在多中继或多天线系统选出几个中继或者天线作为干扰节点去发送阻塞信号，一方面降低多中继或者多天线带来的复用增益，另一方面选出中继或者天线发送的阻塞信号会对其他中继节点或者合法的接收方产生干扰，为了减少干扰需要知道中继之间的完整信道状态信息，这样就大大增加了系统的复杂度和信息处理的时延。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，在系统中利用合法双方辅助发送阻塞干扰和中继处构造两个波束赋形矩阵转发信息，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题。本专利技术的目的是这样实现的：一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，它包括以下步骤：S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；S5：转变优化思想，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；S6：利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。优选地，所述步骤S1具体包括：通过系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。优选地，所述步骤S2具体包括：第一时隙：合法终端A广播信息，合法终端B广播阻塞信息；第二时隙：合法终端A阻塞信息，合法终端B广播信息；第三时隙：中继节点处理前两个时隙接收到信息，然后转发出去。优选地，所述步骤S3具体包括：系统总的保密容量为：其中为合法终端B接收合法终端A广播信息的信噪比；为合法终端A接收合法终端B广播信息的信噪比；为窃听者E接收合法终端A广播信息的信干噪比；为窃听者E接收合法终端B广播信息的信干噪比。优选地，所述步骤S4具体包括：其中为中继节点传输信息的总功率，其大小不会超过中继节点最大的发送功率，为中继节点的最大发送功率，该优化问题为非凸问题；由于窃听信道的不可知性，将所述问题转化为：利用公式拆分法，将所述（P2）式转化为：其中。优选地，步骤S5具体包括：转换优化思路，非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题：其中为给定的的一个特定值。优选地，所述步骤S6具体包括：利用CVX工具箱，解决上述二阶凸锥规划问题。本专利技术的有益效果：通过本专利技术提供的增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全传输的方法，通过利用合法的通信节点辅助发送干扰信息和构建两个波束赋形矩阵，解决在部分信道信息条件下系统复杂度高和信息传输时延大的问题。附图说明图1是协作无线通信系统的结构示意图。图2是所述双向AF中继协作通信信息传输方案。图3是本专利技术一实施例提供的利用系统的信道互惠性获取信道估计矩阵的示意图。图4是本专利技术提供的增强协作无线通信物理层安全传输构造方法的流程示意图。图5是在中继天线个数不同的条件下，本专利技术与该系统中无阻塞干扰的仿真对比图，同时与系统无阻塞干扰无波束赋形的情况进行了对比。图6是在中继天线个数不同的条件下，本专利技术中系统保密容量随源节点利用不同的功率发送阻塞干扰变化图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图4所示，为本专利技术一实施例提供的增强双向AF中继协作通信系统物理层安全传输方法，该方法包括如下步骤：S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；S5：转变优化思想，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；S6：利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。本实施例中，步骤S1具体过程如下：如图1所示，本实施例所述的方法应用于双向AF中继协作无线通信系统，其中包括1个中继R、合法的通信双方和1个窃听者，中继有N根天线，合法的通信双方和窃听者有1根天线，合法用户到中继的发射数据符号是独立同分布零均值1方差的复高斯循环对称（circularlysymmetriccomplexGaussian，CSCG）随机变量，表示为。本实施例中，步骤S1具体过程如下：通过系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。需要说明的是，时分双工(TimeDivisionDuplexing，TDD)双向AF中继协作无线通信系统系统采用系统的信道互惠性获取信道估计矩阵。如图2所示的本专利技术另一实施例提供的系统模型图，通过该系统，基站端利用TDD系统的上下行信道互惠性获取信道估计矩阵，具体步骤如下：基站端利用用户所上传的上行导频符号信息进行信道估计得到时刻等效信道估计结果；把该结果作为时刻的下行链路的等效信道估计矩阵。本实施例中，如图3所示，步骤S2具体包括：S21：信息传输阶段的第一时隙，由源节点A广播信息，源节点B广播阻塞干扰，中继节点R和窃听者E接收信号。具体来说，第一时隙源节点A广播信息给中继节点R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；S5：转变优化思想，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；S6：利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1：获取系统中各节点的信道估计矩阵；S2：确定双向AF中继协作无线通信系统信息传输方案；S3：以保密容量作为性能指标，获得系统保密容量表达式；S4：根据推导出的保密容量表达式，确定优化问题；S5：转变优化思想，由非凸优化问题转化为二阶凸锥规划问题；S6：利用CVX工具箱，解决凸优化问题，获得最佳波束赋形矩阵。2.根据权利要求1所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括：通过系统的信道互惠性，获取系统中各用户的信道估计矩阵。3.根据权利要求1所述一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安全的方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：第一时隙：合法终端A广播信息，合法终端B广播阻塞信息；第二时隙：合法终端A阻塞信息，合法终端B广播信息；第三时隙：中继节点处理前两个时隙接收到信息，然后转发出去。4.根据权利要求3所述的一种增强双向AF中继协作无线通信系统物理层安...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，陆彦辉，马宗浩，朱政宇，王忠勇，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41