下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，分为两个阶段：第一阶段，全双工中继在接收基站的信号的同时向窃听者发送干扰信号来迷惑窃听者；第二阶段，中继将放大后的信号结合人工噪声发送到合法接收端。其中，合法接收端直接译码来获取基站发送的私密信号信号，而窃听者利用最大比合并来试图获取私密信号。通过中继节点的人工噪声和波束成形向量的设计，该网络成功地迷惑了窃听者。为了最大网络的安全传输速率，制定了相应的约束条件和优化问题。通过优化问题的求解，本发明专利技术实现了下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输。

A Secure Transmission Method Based on Artificial Noise and Beamforming in Downlink Full Duplex Relay Networks

The invention discloses a secure transmission method based on artificial noise and beamforming in downlink full-duplex relay network, which is divided into two stages: the first stage, full-duplex relay sends interference signals to the eavesdropper while receiving the signal of base station to confuse the eavesdropper; the second stage, the relay transmits the amplified signal combined with artificial noise to the legitimate receiver. Among them, the legitimate receiver directly decodes to obtain the private signal transmitted by the base station, while the eavesdropper uses the maximum ratio combination to try to obtain the private signal. Through the design of artificial noise of relay node and beamforming vector, the network succeeds in confusing eavesdroppers. In order to maximize the safe transmission rate of the network, the corresponding constraints and optimization problems are formulated. By solving the optimization problem, the invention realizes the secure transmission based on artificial noise and beamforming in downlink full duplex relay network.

【技术实现步骤摘要】
下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法
本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，通过人工噪声和波束成形的设计，提高了网络的安全性能。
技术介绍
全双工技术是5G网络中一项潜力很大的技术。全双工中继网络由合法收发机以及全双工中继组成，它可以实现信息的同时收发，这大大提高了5G网络的容量。由于无线网络的广播特性，所以全双工中继网络容易受到恶意窃听的干扰。因此，信息安全问题就变得尤为突出。但是传统的高层加密技术由于其复杂度和5G网络的异构性难以实现。物理层安全可以利用信道的广播特性同时它又对网络架构不是很敏感。所以，将物理层安全技术应用到全双工中继网络中有很重要的作用。人工噪声和认知干扰是物理层安全的两个重要技术。通过联合设计私密信号以及干扰信号或者人工噪声信号，可以成功地迷惑窃听者，从而达到安全传输的效果。他们都是通过向窃听端发送干扰信号，同时在不影响合法收发机传输的情况下完成对窃听者的干扰。当窃听者窃听中继网络的每一跳同时有没有额外的协作用户的情况下，发送端或者接收端可以向窃听者发送干扰信号以达到防窃听的效果。这需要在收发双方都有相应的技术需求设计。为了减少合法收发机作业内容，就需要其他的协作用户来协作传输。因此，需要一个中继作为协作干扰用户的方案来保证安全的信息传输。
技术实现思路
针对恶意窃听者窃听中继网络每一跳的问题，本专利技术提出一种下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法。该方法充分利用中继节点的全双工工作模式，在两跳中继网络的每一跳都发送干扰信号，达到迷惑窃听者的效果。同时，通过合理地设计中继的能量分配因子，极大地提高了中继网络的安全传输速率。本专利技术采用如下技术方案来实现的：下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，该全双工中继网络包括一个基站、一个全双工中继和一个合法接受端，同时还存在一个恶意的窃听者E，该安全传输方法分为两个阶段：第一阶段，基站向中继发送私密信号，中继选择一根天线来接收信号，同时，窃听者也会收到私密信号；为了防止窃听者成功破解私密信号，中继利用剩余的天线发送干扰信号，并利用波束成形技术使中继和合法接收端不会接收到干扰信号；第二阶段，中继利用放大转发协议进行信号转发，此时窃听者还是会接收到中继转发的私密信号，因此中继在转发的过程中结合人工噪声一起发送，并利用波束成形技术使噪声在合法接受端的零空间，窃听者会接收到来自中继的信号由于人工噪声的存在便不能成功解码私密信号，窃听者在两个过程中都会收到信号，因此采用最大比合并来接收信号，以最大概率的破解信号，中继节点装有N条天线而其余节点只有1条天线，并假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路。本专利技术进一步的改进在于，具体实现如下：Step1：基站选择中继的接收天线用于发送私密信号xA，同时剩余的N-1条天线用于向窃听者发送干扰信号xN-1；Step2：基站向被选择的天线发送私密信号xA，处于全双工模式的中继在接收信号的同时向窃听者发送干扰信号xN-1并设计相应的波束成形矩阵A；Step3：中继接收来自基站的私密信号，同时窃听者会接收到来自基站的私密信号和来自中继的干扰信号；Step4：中继合理地设计波束成形矩阵W和分配能量，将放大后的信号与人工噪声的叠加信号X发送给合法接收端，由于波束成形矩阵的作用，合法接收端接收不到干扰信号，但是窃听者将会收到叠加信号；Step5：合法接收端接收到来自中继转发的信号并进行译码来获取私密信息；Step6：窃听者利用最大比合并接收第一阶段接收的信号和二阶段的接收的信号并译码来获取信息。本专利技术进一步的改进在于，Step1中选择接收天线i的方法为Step2中波束成形矩阵A满足Step3中中继节点和窃听者接收到的信号yr和ye1分别表示为Step4中的叠加信号X和放大因子β分别表示为Step5中合法接收端接收的信号yb和译码信噪比γB分别表示为Step6中窃听者接收的信号ye2和译码信噪比γE分别表示为其中，PA和PR分别是基站和中继用于发送信号的能量；i＝1,2,...,N表示安装在中继上的N条天线；A和W＝[w,WN-1]分别表示在第一阶段和第二阶段的波束成形矩阵，其中，WN-1表示hrb2的零空间的一组正交基；hrb1，hrb2，hre1和hre2分别表示中继与合法接收机之间和中继与窃听者之间在第一阶段与第二阶段的信道系数向量；hrr表示中继发送端到中继接收端的信道系数向量；hari和hae分别表示基站与中继的第i根天线和基站与窃听者之间的信道系数；各个信道系数向量的元素军事服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的瑞利衰落；nr和nb分别是中继和合法接收端产生的服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的高斯白噪声；ne1和ne2分别是窃听者在第一阶段和第二阶段产生的服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的高斯白噪声；φ是中继用于发送信号和干扰的能量分配因子；||·||和|·|分别表示向量的范数和绝对值运算；hH表示向量的共轭转置。本专利技术进一步的改进在于，Step1中，为满足中继网络的服务质量需求，设定中继网络的服务质量约束，如下：其中，是合法接收端的信息接收速率，是窃听者的信息接收速率，CS＝RB-RE是中继网络的安全传输速率，rB是合法接收机的目标传输速率。本专利技术进一步的改进在于，Step2中，为最小化中继网络的能量消耗，设定中继网络的能量消耗约束，如下：PA≤P,PR≤P其中，P是基站或者中继节点发送信息所需能量的最大值。本专利技术进一步的改进在于，Step3中，为了最大化中继网络的安全传输速率，根据设定的约束条件，分配最优的功率分配因子以最大化安全速率CS＝RB-RE，最优的功率分配因子满足其中，和φ2是通过一维搜索算法求得的使安全传输速率CS最大的功率分配因子的值。本专利技术进一步的改进在于，Step4中，将最优的功率分配因子带入中继处理，实现安全速率最大的信息传输。本专利技术具有如下有益的技术效果：针对没有额外的协作用户的全双工中继网络存在恶意窃听者窃听整个传输过程的问题，本专利技术综合利用全双工中继可以同时接收和发送信号的能力以及无线信道的广播特性，通过中继节点在传输的两跳过程中向窃听者发送干扰信号，很大程度上迷惑了窃听者，从而提高了中继系统的安全性能。第一阶段，中继接收信号同时向窃听者发送干扰信号；第二阶段，中继中转信号同时向窃听者发送干扰信号。通过中继接收天线的选择和两跳过程中波束成形向量的设计，在成功干扰窃听者的同时合法接收端不会接收到干扰信号。即使窃听者利用最大比合并解码信号，但是可以通过设计干扰信号，使窃听者窃听的信号包括私密信号和干扰信号，以此达到降低窃听者信道质量的效果。进一步，针对基站和合法接受端的结构复杂度问题，本专利技术充分利用全双工中继可以同时接受和发送信号的功能，使比较复杂的信号处理都在全双工中继上完成，相比于基站或者合法接收端发送干扰信号的方案，大大降低了基站和合法接收端的操作复杂度。进一步，针对全双工中继网络的安全传输速问题，本专利技术通过建立优化问题求解能量分配因子来最大化网络的安全传输速率。为了保证该网络的服务质量需求和能量低耗供应，本专利技术制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，其特征在于，该全双工中继网络包括一个基站、一个全双工中继和一个合法接受端，同时还存在一个恶意的窃听者E，该安全传输方法分为两个阶段：第一阶段，基站向中继发送私密信号，中继选择一根天线来接收信号，同时，窃听者也会收到私密信号；为了防止窃听者成功破解私密信号，中继利用剩余的天线发送干扰信号，并利用波束成形技术使中继和合法接收端不会接收到干扰信号；第二阶段，中继利用放大转发协议进行信号转发，此时窃听者还是会接收到中继转发的私密信号，因此中继在转发的过程中结合人工噪声一起发送，并利用波束成形技术使噪声在合法接受端的零空间，窃听者会接收到来自中继的信号由于人工噪声的存在便不能成功解码私密信号，窃听者在两个过程中都会收到信号，因此采用最大比合并来接收信号，以最大概率的破解信号，中继节点装有N条天线而其余节点只有1条天线，并假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路。

【技术特征摘要】
1.下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，其特征在于，该全双工中继网络包括一个基站、一个全双工中继和一个合法接受端，同时还存在一个恶意的窃听者E，该安全传输方法分为两个阶段：第一阶段，基站向中继发送私密信号，中继选择一根天线来接收信号，同时，窃听者也会收到私密信号；为了防止窃听者成功破解私密信号，中继利用剩余的天线发送干扰信号，并利用波束成形技术使中继和合法接收端不会接收到干扰信号；第二阶段，中继利用放大转发协议进行信号转发，此时窃听者还是会接收到中继转发的私密信号，因此中继在转发的过程中结合人工噪声一起发送，并利用波束成形技术使噪声在合法接受端的零空间，窃听者会接收到来自中继的信号由于人工噪声的存在便不能成功解码私密信号，窃听者在两个过程中都会收到信号，因此采用最大比合并来接收信号，以最大概率的破解信号，中继节点装有N条天线而其余节点只有1条天线，并假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路。2.根据权利要求1所述的下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，其特征在于，具体实现如下：Step1：基站选择中继的接收天线用于发送私密信号xA，同时剩余的N-1条天线用于向窃听者发送干扰信号xN-1；Step2：基站向被选择的天线发送私密信号xA，处于全双工模式的中继在接收信号的同时向窃听者发送干扰信号xN-1并设计相应的波束成形矩阵A；Step3：中继接收来自基站的私密信号，同时窃听者会接收到来自基站的私密信号和来自中继的干扰信号；Step4：中继合理地设计波束成形矩阵W和分配能量，将放大后的信号与人工噪声的叠加信号X发送给合法接收端，由于波束成形矩阵的作用，合法接收端接收不到干扰信号，但是窃听者将会收到叠加信号；Step5：合法接收端接收到来自中继转发的信号并进行译码来获取私密信息；Step6：窃听者利用最大比合并接收第一阶段接收的信号和二阶段的接收的信号并译码来获取信息。3.根据权利要求2所述的下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，其特征在于，Step1中选择接收天线i的方法为Step2中波束成形矩阵A满足Step3中中继节点和窃听者接收到的信号yr和ye1分别表示为Step4中的叠加信号X和放大因子β分别表示为Step5中合法接收端接收的信号yb和译码信噪比...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，李强，徐东阳，贺洪亮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61