一种上行非正交多址的安全传输方法及系统技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，公开了一种上行非正交多址的安全传输方法及系统。本发明专利技术考虑上行NOMA链路存在窃听者的情况，通过选择网络中一个友好的能量采集干扰器发送人工噪声，来恶化窃听者的接收质量，进而保证NOMA用户到基站的安全通信。根据网络获取到的信道状态信息情况，相对应提供了三种能量采集干扰器选择策略，分别是随机能量采集干扰器选择(REJS)、最大能量采集干扰器选择(MEJS)、最优能量采集干扰器选择(OEJS)策略。相对于传统无能量采集干扰器辅助的上行NOMA传输方法，本发明专利技术能够显著地提高NOMA系统的物理层安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种上行非正交多址的安全传输方法及系统
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种上行非正交多址的安全传输方法及系统。
技术介绍
为了在频谱资源日益稀缺的条件下满足飞速增长的移动通信业务需求，非正交多址(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)技术越来越受到业界的重视。NOMA技术通过在相同的频率时间资源上承载不同用户的信息实现高频谱效率传输，被认为是5G和后5G时代十分具有应用前景的多址接入方式。其中，功率域NOMA技术由于较低的实现复杂度和高兼容性特点，受到了广泛的关注。功率域NOMA(以下简称NOMA)的基本思想是在发送端利用叠加编码给不同用户信号分配不同大小的功率，同时在接收端采用串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation，SIC)技术消除用户间干扰并检测出多用户信息。另一方面，近年来兴起的物理层安全(PhysicalLayerSecurity)技术从物理层的角度出发来保障无线通信的信息安全，是对上层加密技术的补充甚至替代。虽然NOMA技术能够提高频谱的利用率，但当存在恶意窃听者的情况下，NOMA却无法保证信息传输的安全。为了保证NOMA的安全通信，文献“EnhancingthephysicallayersecurityofNOMAinlarge-scalenetworks”、“SecureMISO-NOMAtransmissionwithartificialnoise”、“BeamformingdesignandpowerallocationforsecuretransmissionwithNOMA”利用物理层安全技术来提高下行NOMA传输的安全性能。具体来说，具有多天线的基站通过波束赋型技术同时传输有用信号和人工噪声信号，设计的人工噪声信号仅降低恶意窃听者的接收质量，从而使得下行NOMA用户的安全容量提高。然而，对于上行NOMA传输来说，实际网络节点的物理尺寸和能量限制使得它们很难部署多天线，因此基于波束赋型的下行NOMA传输方案不能被应用于实际单天线节点的上行NOMA传输中。基于此，物理层安全技术中的协作干扰可以被考虑作为一个更加合适的技术应用于上行NOMA传输中。考虑到实际协作节点的能量受限特性以及外部协作节点的最优选择问题，直接应用协作干扰技术会存在一定的困难。因此，专利技术能够应用于实际系统的上行NOMA物理层安全传输方法迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种上行非正交多址的安全传输方法及系统，用以解决现有技术中的上行NOMA传输中的安全性等问题。为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，所述选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：步骤1：获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好干扰器；其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好干扰器；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器；步骤2：步骤1选择出的友好干扰器向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好干扰器之间的信道信息产生；步骤3：基站检测到人工噪声伪随机序列并移除，恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列，受到干扰。进一步的，随机选择出的友好干扰器表示为式Ⅰ：其中，Rr表示随机选择出的友好干扰器，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为干扰器，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅱ：其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好干扰器，表示能量采集节点Rj作为干扰器时发射人工噪声的功率且Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，表示基站与Rj之间的信道系数；能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅲ：其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好干扰器，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。一种上行非正交多址的安全传输系统，所述系统包括基站、用户、多个能量采集节点和恶意窃听者，所述用户在信息传输阶段执行上行NOMA传输信息到基站，恶意窃听者在信息传输阶段企图截获用户传输的信息，所述基站包括主控模块，所述主控模块用于获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好干扰器；所述主控模块根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好干扰器是指：若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好干扰器；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器；所述友好干扰器用于向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列依据基站与友好干扰器之间的信道信息产生。进一步的，随机选择出的友好干扰器表示为式Ⅰ：其中，Rr表示随机选择出的友好干扰器，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为干扰器，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅱ：其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好干扰器，表示能量采集节点Rj作为干扰器时发射人工噪声的功率且Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，表示基站与Rj之间的信道系数；能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅲ：其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好干扰器，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。本专利技术与现有技术相比具有以下技术特点：(1)本专利技术与现有的上行非正交多址传输机制相比，显著地提高了上行NOMA系统的物理层安全性能。(2)由于网络中节点的功率限制或自私性，干扰节点不愿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，其特征在于，所述选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：/n步骤1：获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好干扰器；/n其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好干扰器；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器；/n步骤2：步骤1选择出的友好干扰器向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好干扰器之间的信道信息产生；/n步骤3：基站检测到人工噪声伪随机序列并移除，恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列，受到干扰。/n

【技术特征摘要】
1.一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，其特征在于，所述选择合适的友好干扰器并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：
步骤1：获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好干扰器；
其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好干扰器；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器；
步骤2：步骤1选择出的友好干扰器向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好干扰器之间的信道信息产生；
步骤3：基站检测到人工噪声伪随机序列并移除，恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列，受到干扰。


2.如权利要求1所述的上行非正交多址的安全传输方法，其特征在于，随机选择出的友好干扰器表示为式Ⅰ：



其中，Rr表示随机选择出的友好干扰器，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为干扰器，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
发射功率最大的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅱ：



其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好干扰器，表示能量采集节点Rj作为干扰器时发射人工噪声的功率且Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，表示基站与Rj之间的信道系数；
能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好干扰器表示为式Ⅲ：



其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好干扰器，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。

【专利技术属性】
技术研发人员：曹堃锐，丁海洋，陈华梁，荆锋，李海鹏，辛可为，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43