一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法。该方法为：首先源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号；中继节点对接收矢量信号加权后转发给合法目标节点，同时发送人工噪声；然后构建安全传输优化问题模型；接着将复数域上的优化问题转换为实数域上的优化问题，通过引入变量进行优化问题重构，求解得出中继节点的波束成形矩阵和合法目标节点的线性接收滤波系数；最后中继节点将接收到的信号乘以相应的波束成形矩阵，转发给合法目标节点，合法目标节点利用线性接收滤波系数处理接收信号，实现网络传输的保密性和传输速率最大化的目标。本发明专利技术降低了中继节点的能量消耗，提升了网络传输的保密速率。

A Secure Transmission Method for Wireless Relay Networks Using Collaborative Interference

The invention discloses a secure transmission method of wireless relay network using cooperative interference. The method is as follows: firstly, the source node sends the signal to the relay node in the form of broadcast, and cooperatively sends the interference signal to the interference node; the relay node weights the received vector signal and transmits the artificial noise to the legitimate target node at the same time; secondly, the optimization model of secure transmission is constructed; secondly, the optimization problem in the complex domain is transformed into the optimization problem in the real domain by introducing the variable. Finally, the relay node multiplies the received signal by the corresponding beamforming matrix and forwards the received signal to the legitimate target node. The legitimate target node processes the received signal using the linear received filtering coefficient to achieve the confidentiality and transmission rate of network transmission. The goal of enlargement. The invention reduces the energy consumption of the relay node and improves the security rate of network transmission.

【技术实现步骤摘要】
一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法
本专利技术涉及无线通信网络
，特别是一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法。
技术介绍
由于无线通信终端的小型化，低功耗要求越来越高，无线通信网络朝着多节点、分布式的方向发展，利用节点之间的协作不仅能够提高无线资源的利用效率，而且可以增强信息的传输安全。中继节点按照协作方式可以分为协同转发节点和协同干扰节点，协同转发节点是指中继节点将接收到的信号直接转发给目标节点；协同干扰节点是指节点并不接收源节点发送的信号，只是提供干扰信号来降低窃听节点的接收性能，也就是通过引入协同干扰节点来提高网络的保密传输性能。在无线中继网络中，信号的传输过程由源节点向中继节点发送信号和中继节点将接收到的信号转发给合法目标节点两个阶段组成，信号在两个阶段的传输过程中都有可能遭到窃听，增加了信号传输的安全风险。现有研究多为考虑如何增强第二阶段信号传输的安全性，但在实际应用中，当窃听节点位于中继节点的附近时，它能侦听到源节点及中继节点发出的信号，这种情况下需要兼顾两个传输阶段的安全性能。因此，现有方法不适于无线中继网络中两个传输阶段都需要进行干扰，以抑制窃听节点接收性能的安全传输场景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够降低中继节点的能量消耗、提升网络传输的保密性和传输速率的无线中继网络安全传输方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法，该方法基于的无线中继网络架构，包括1个配置有单根天线的源节点、1个配置有单根天线的合法目标节点、N个配置有单根天线的中继节点、1个配置有单根天线的协作干扰节点、1个配置有单根天线的窃听节点，其中N是1以上的自然数；设定在协同干扰的无线中继网络中，所有节点都采用半双工模式；源节点和合法目标节点之间没有直接通信链路，必须由中继节点转发信号，且中继节点采用放大转发协议；窃听节点能够侦听到源节点以及中继节点发出的信号；信号的传输过程由源节点向中继节点发送信号和中继节点将接收到的信号转发给合法目标节点两个阶段组成；该方法包括以下步骤：步骤1，源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号，恶化窃听节点的接收性能；步骤2，中继节点使用波束成形矩阵对接收矢量信号进行加权，然后进行转发，同时发送人工噪声，恶化窃听节点的接收性能；步骤3，构建以中继节点发送有用信号的功率消耗最小化为目标函数、合法目标节点的最小均方误差约束及所有中继节点功率受限的约束条件下的安全传输问题模型；步骤4，将复数域上的优化问题转换为实数域上的优化问题，通过引入变量进行优化问题重构，然后采用双层优化方法进行求解，并利用凸优化理论求解内外层优化问题，得出中继节点的波束成形矩阵和合法目标节点的线性接收滤波系数；步骤5，中继节点将接收到的信号乘以相应的波束成形矩阵，转发给合法目标节点，合法目标节点利用线性接收滤波系数处理接收信号，实现网络传输的保密性和传输速率最大化的目标。进一步地，步骤1中所述的源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号，恶化窃听节点的接收性能，具体如下：步骤1.1、中继节点接收的信号xr＝(xr,1,…,xr,N)T为：式中，源节点发送信号s归一化为表示数学期望，|·|表示绝对值符号；Ps为源节点信号的发送功率，Pj为协同干扰信号的发送功率，z为协作干扰节点发送的干扰信号，并归一化为表示从源节点到所有中继节点的复信道增益，表示从协同干扰节点到所有中继节点的复信道增益，hsr、hjr中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示中继节点接收噪声，是协方差矩阵为的零均值高斯加性白噪声矢量；其中，表示N×1维的复矩阵，IN为N×N的单位矩阵，(·)T为转置运算符；步骤1.2、在源节点信号发送下，窃听节点的接收信号xe为：式中，表示从源节点到窃听节点的信道增益，表示从协同干扰节点到窃听节点的信道增益，hse及hje中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示窃听节点接收噪声，是方差为的零均值加性高斯白噪声。进一步地，步骤2中所述中继节点使用波束成形矩阵对接收矢量信号进行加权，然后进行转发，同时发送人工噪声，恶化窃听节点的接收性能，具体如下：步骤2.1、中继节点采用分布式波束成形技术，即在信号发送之前乘以波束成形矩阵对接收到的信号矢量xr使用波束成形矩阵Wb进行加权，同时发送人工噪声然后转发给合法的目标节点；将中继节点发送的信号yr＝(yr，1，…，yr，N)T表示为：yr＝Wbxr+nan式中，每一个中继节点的功率约束为表示人工噪声nan的发送功率，(·)H为共轭转置运算符；设定每一个中继节点的最大发送功率为Pi,i＝1,…,N，中继节点发送有用信号的功率消耗Pt为：式中，Rsr＝diag(|hsr,1|2,···,|hsr,N|2)，Rjr＝diag(|hjr,1|2,···,|hjr,N|2)；加入人工噪声后，合法目标节点的接收信号yd变为：其中，表示从所有中继节点到合法目标节点的复信道增益，hrd中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示合法目标节点接收噪声，是方差为的零均值加性高斯白噪声；步骤2.2、合法目标节点采用一个线性接收滤波来处理接收到的信号yd，从而得到期望信号的一个估计值，其中，β为一个正的标量；则合法目标节点获得的估计信号表示为：步骤2.3、在人工噪声协同干扰下，窃听节点的接收信号ye为：式中，表示从所有中继节点到窃听节点的信道增益，he中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示窃听节点在协同干扰下的接收噪声，是方差为的零均值加性高斯白噪声；为了防止人工噪声干扰合法目标节点的接收性能，中继节点产生的人工噪声nan必须位于合法信道hrd的零空间上，即满足因此得到：nan＝Πva式中，Π是hrd的零空间的一组正交基且满足ΠΠH＝IN，va是零均值方差为的独立同分布的高斯随机矢量；步骤2.4、根据nan＝Πva，合法目标节点的最小均方误差εd表示为：式中，rh1＝(hsr,1hrd，1，···，hsr,nhrd,N)T，rh2＝(hjr,1hrd，1，···，hjr,nhrd,N)T，Rrd＝diag(|hrd,1|2,···,|hrd,N|2)，Re(·)表示复数的实部；步骤2.5、综合步骤1.2和步骤2.3中的公式，窃听节点在两个阶段传输过程中的接收信号为：ye＝Hex+ne其中，ye＝(xe,ye)T，x＝(s,z)T，步骤2.6、设定窃听节点已知中继节点的发送波束成形矩阵以及人工噪声协方差矩阵，则窃听节点的最小均方误差为：式中，Ge,1表示Ge中的第一行元素。进一步地，步骤3中所述构建以中继节点发送有用信号的功率消耗最小化为目标函数、合法目标节点的最小均方误差约束及所有中继节点功率受限的约束条件下的安全传输问题模型，具体如下：为了防止协同干扰节点发射的干扰信号干扰合法目标节点，由源节点设计中继权重w使其在的零空间上，即其中是两个向量相乘后的数学表示式；在满足合法目标节点的最小均方误差约束c及每个中继节点的功率约束Pi的条件下，以最小化中继节点发送有用信号的功率消耗为目标函数的优化问题模型为：s.t.εd≤c式中，[·]i,i表示矩阵第i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法，其特征在于，该方法基于的无线中继网络架构，包括1个配置有单根天线的源节点、1个配置有单根天线的合法目标节点、N个配置有单根天线的中继节点、1个配置有单根天线的协作干扰节点、1个配置有单根天线的窃听节点，其中N是1以上的自然数；设定在协同干扰的无线中继网络中，所有节点都采用半双工模式；源节点和合法目标节点之间没有直接通信链路，必须由中继节点转发信号，且中继节点采用放大转发协议；窃听节点能够侦听到源节点以及中继节点发出的信号；信号的传输过程由源节点向中继节点发送信号和中继节点将接收到的信号转发给合法目标节点两个阶段组成；该方法包括以下步骤：步骤1，源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号，恶化窃听节点的接收性能；步骤2，中继节点使用波束成形矩阵对接收矢量信号进行加权，然后进行转发，同时发送人工噪声，恶化窃听节点的接收性能；步骤3，构建以中继节点发送有用信号的功率消耗最小化为目标函数、合法目标节点的最小均方误差约束及所有中继节点功率受限的约束条件下的安全传输问题模型；步骤4，将复数域上的优化问题转换为实数域上的优化问题，通过引入变量进行优化问题重构，然后采用双层优化方法进行求解，并利用凸优化理论求解内外层优化问题，得出中继节点的波束成形矩阵和合法目标节点的线性接收滤波系数；步骤5，中继节点将接收到的信号乘以相应的波束成形矩阵，转发给合法目标节点，合法目标节点利用线性接收滤波系数处理接收信号，实现网络传输的保密性和传输速率最大化的目标。...

【技术特征摘要】
1.一种使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法，其特征在于，该方法基于的无线中继网络架构，包括1个配置有单根天线的源节点、1个配置有单根天线的合法目标节点、N个配置有单根天线的中继节点、1个配置有单根天线的协作干扰节点、1个配置有单根天线的窃听节点，其中N是1以上的自然数；设定在协同干扰的无线中继网络中，所有节点都采用半双工模式；源节点和合法目标节点之间没有直接通信链路，必须由中继节点转发信号，且中继节点采用放大转发协议；窃听节点能够侦听到源节点以及中继节点发出的信号；信号的传输过程由源节点向中继节点发送信号和中继节点将接收到的信号转发给合法目标节点两个阶段组成；该方法包括以下步骤：步骤1，源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号，恶化窃听节点的接收性能；步骤2，中继节点使用波束成形矩阵对接收矢量信号进行加权，然后进行转发，同时发送人工噪声，恶化窃听节点的接收性能；步骤3，构建以中继节点发送有用信号的功率消耗最小化为目标函数、合法目标节点的最小均方误差约束及所有中继节点功率受限的约束条件下的安全传输问题模型；步骤4，将复数域上的优化问题转换为实数域上的优化问题，通过引入变量进行优化问题重构，然后采用双层优化方法进行求解，并利用凸优化理论求解内外层优化问题，得出中继节点的波束成形矩阵和合法目标节点的线性接收滤波系数；步骤5，中继节点将接收到的信号乘以相应的波束成形矩阵，转发给合法目标节点，合法目标节点利用线性接收滤波系数处理接收信号，实现网络传输的保密性和传输速率最大化的目标。2.根据权利要求1所述的使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法，其特征在于，步骤1中所述的源节点以广播形式向中继节点发送信号，协同干扰节点发送干扰信号，恶化窃听节点的接收性能，具体如下：步骤1.1、中继节点接收的信号xr＝(xr,1,…,xr,N)T为：式中，源节点发送信号s归一化为表示数学期望，|·|表示绝对值符号；Ps为源节点信号的发送功率，Pj为协同干扰信号的发送功率，z为协作干扰节点发送的干扰信号，并归一化为表示从源节点到所有中继节点的复信道增益，表示从协同干扰节点到所有中继节点的复信道增益，hsr、hjr中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示中继节点接收噪声，是协方差矩阵为的零均值高斯加性白噪声矢量；其中，表示N×1维的复矩阵，IN为N×N的单位矩阵，(·)T为转置运算符；步骤1.2、在源节点信号发送下，窃听节点的接收信号xe为：式中，表示从源节点到窃听节点的信道增益，表示从协同干扰节点到窃听节点的信道增益，hse及hje中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示窃听节点接收噪声，是方差为的零均值加性高斯白噪声。3.根据权利要求2所述的使用协同干扰的无线中继网络安全传输方法，其特征在于，步骤2中所述中继节点使用波束成形矩阵对接收矢量信号进行加权，然后进行转发，同时发送人工噪声，恶化窃听节点的接收性能，具体如下：步骤2.1、中继节点采用分布式波束成形技术，即在信号发送之前乘以波束成形矩阵对接收到的信号矢量xr使用波束成形矩阵Wb进行加权，同时发送人工噪声然后转发给合法的目标节点；将中继节点发送的信号yr＝(yr,1,…,yr,N)T表示为：yr＝Wbxr+nan式中，每一个中继节点的功率约束为表示人工噪声nan的发送功率，(·)H为共轭转置运算符；设定每一个中继节点的最大发送功率为Pi,i＝1,…,N，中继节点发送有用信号的功率消耗Pt为：式中，Rsr＝diag(|hsr,1|2,···,|hsr,N|2)，Rjr＝diag(|hjr,1|2,···,|hjr,N|2)；加入人工噪声后，合法目标节点的接收信号yd变为：其中，表示从所有中继节点到合法目标节点的复信道增益，hrd中的每一个元素均为服从独立同分布的复高斯随机变量；表示合法目标节点接收噪声，是方差为的零均值加性高斯白噪声；步骤2.2、合法目标节点采用一个线性接收滤波来处理接收到的信号yd，从而得到期望信号的一个估计值，其中，β为一个正的标量；则合法目标节点获得的估计信号表示为：步骤2.3、在人工噪声协同干扰下，窃听节点的接收信号ye为：式中，表示从所有中继节点到窃听节点的信道增益，he中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪钧，任保全，黄育侦，张周，金鑫，范波，陈力，韩寒，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，军事科学院系统工程研究院系统总体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11