一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，包括：获取用户A的发送天线、用户B的发送天线和中继的接收天线；获取用户A的接收天线、用户B的接收天线和中继的发送天线；基于用户A的发送天线和接收天线、用户B的发送天线和接收天线及中继的接收天线和发送天线，获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比；基于用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，获取全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。本发明专利技术通过选择最优发送和接收天线，能够有效提升了整个系统的安全容量。

【技术实现步骤摘要】
一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法
本专利技术涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种双向全双工MIMO(多输入多输出)中继天线选择安全传输方法。
技术介绍
在无线通信技术的发展历程中，各种安全通信技术也随之发展。而其中的物理层安全基于香农理论的信道编码技术，利用无线信道复杂的空间特性和时变特性实现信息的安全传输。Wyner原创性的提出物理层安全的概念及其相关指标[1]。随后，物理层安全技术快速发展，尤其是中继协作通信技术和天线选择技术正越来越多的用于保障信息安全传输。相较与传统无线通信网络，中继协作通信技术,尤其是双向中继正越来越多的受到研究者的关注，它不但能扩大网络覆盖范围，提高通信传输质量，而且能够有效提高安全传输性能。文献[2][3]指出协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。双向中继和单向中继一样，根据工作方式可以分为半双工中继和全双工中继，如文献[4][5]中，传统双向中继多采用半双工工作方式，只能单独实现接收或发射信息的功能，而随着技术的发展，双向中继逐渐采用全双工技术，如文献[6][7]中，无论是一般中继还是非可信中继，都采用全双工中继，全双工中继可以同时实现收发信息的功能，相较于半双工方式能够提高通信传输效率。天线选择技术作为双向多天线节点系统中重要的传输技术，具有较低的计算复杂度和设计成本，通常从多根天线中选择一根信道条件最好的天线，选取准则以最大化系统传输性能或安全性能为主。如文献[8]中，双向全双工中继协作通信系统中，通过对多天线双信源的四种天线选择方法，每个方法均不同程度的提升了系统的传输性能，但整个系统没有考虑到安全问题，如果遇到窃听者，其安全性能将会受到极大挑战。但现有研究很少将两种技术相结合，通常单方面使用双向中继协作通信技术或者天线选择技术，尤其是天线选择技术，鲜有使用，这些都只能有限提升系统的安全性能。而传统的双向中继协作通信技术为提高系统安全性能，往往会发送人工噪声干扰窃听者，通常采用预编码方法，如文献[7]中，多天线双信源通过发射人工噪声去干扰多天线非可信中继，虽然增加了系统的平均安全速率，但与天线选择方法相比，系统复杂度高，操作繁琐；传统天线技术诸如波束成形技术，如文献[6]中的多天线双向非可信中继系统中，中继采用波束成形技术，通过优化波束成形矩阵最大化系统安全速率，虽然能改善系统性能，但相较于天线选择方法，要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗，这些缺陷都对提升通信系统的性能带来了挑战。附录文献：[1]WynerAD.Thewire-tapchannel[J].Thebellsystemtechnicaljournal,1975,54(8):1355-1387.[2]DongL,HanZ,PetropuluAP,etal.Improvingwirelessphysicallayersecurityviacooperatingrelays[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2010,58(3):1875-1888.[3]LanemanJN,TseDNC,WornellGW.Cooperativediversityinwirelessnetworks:Efficientprotocolsandoutagebehavior[J].IEEETransactionsonInformationtheory,2004,50(12):3062-3080.[4]HangLong,WeiXiang,YueyingZhang,etal.Cooperativejammingandpowerallocationinthree-phasetwo-wayrelayingwiretapsystems[J].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),2013.[5]YunchuanYang,HuiZhao,CongSun,etal.Iterativealgorithmforsecrecyguaranteewithnullspacebeamformingintwo-wayrelaynetworks[J].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),2013.[6]JianhuaMo,MeixiaTao,YuanLiu,etal.SecurebeamformingforMIMOtwo-waytransmissionwithanuntrustedrelay[J].IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),2013.QuanzhongLi,LiangYang.ArtificialNoiseAidedSecurePrecodingforMIMOUntrustedTwo-WayRelaySystemswithPerfectandImperfectChannelStateInformation[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2018,13(10):2628-2638.[7]EfendiF,OguzKucur.Performanceoftransceiverantennaselectionintwowayfull-duplexrelaynetworksoverRayleighfadingchannels[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2018(Accepted).
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，提出一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，设计了一种综合考虑窃听者的统计信道状态信息(CSI)的天线选择准则，最大化中继接收信噪比和用户的接收信噪比，并弱化窃听者的接收信干噪比，分析不同用户和中继天线数的设置对系统安全性能的影响，从而提升系统安全传输性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方法是：一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，所述用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j；其中，i＝1,...,NA，NA表示用户A的天线数；n＝1,...,NB，NB表示用户B的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k；其中，p＝1,...,NA-1；m＝1,...,NB-1；k＝1,...,NR-1；基于所述用户A的发送天线i和接收天线p、用户B的发送天线n和接收天线m及中继的接收天线j和发送天线k，获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比；基于所述用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。优选的，所述获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，所述用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j；其中，i＝1,...,NA，NA表示用户A的天线数；n＝1,...,NB，NB表示用户B的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k；其中，p＝1,...,NA‑1；m＝1,...,NB‑1；k＝1,...,NR‑1；基于所述用户A的发送天线i和接收天线p、用户B的发送天线n和接收天线m及中继的接收天线j和发送天线k，获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比；基于所述用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。

【技术特征摘要】
1.一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，所述用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j；其中，i＝1,...,NA，NA表示用户A的天线数；n＝1,...,NB，NB表示用户B的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；获取用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k；其中，p＝1,...,NA-1；m＝1,...,NB-1；k＝1,...,NR-1；基于所述用户A的发送天线i和接收天线p、用户B的发送天线n和接收天线m及中继的接收天线j和发送天线k，获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比；基于所述用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。2.根据权利要求1所述的双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，其特征在于，所述获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j，包括：基于已知的用户到窃听者链路及用户到中继链路的平均CSI，以最大化用户和中继接收信噪比为原则，设计用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j的选择准则，如下：其中，hAR,i,j表示用户A到中继R的信道参数；gAE,i表示用户A到窃听者E的信道参数；hBR,n,j表示用户B到中继R的信道参数；gBE,n表示用户B到窃听者E的信道参数；表示对X求均值；用户A和B将信息广播至中继和窃听端，中继的接收信号的表达式为其中，表示用户A的发送功率，表示用户B的发送功率，P表示总功率，α为功率分配因子；xA[n]表示中继接收到用户A信号；xB[n]表示中继接收到的用户B信号；nR[n]表示中继上接收的方差为σ2的加性白高斯噪声；由于本文的传输有两跳，中继在解码转发信息的时候会产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵睿，吴奇，李元健，王聪，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35