存在不可信中继威胁的协作速率分割网络安全传输方法技术

本发明专利技术提供一种存在不可信中继威胁的协作速率分割网络安全传输方法，属于下行通信的安全传输优化领域，涉及一种通过预编码优化防止中继用户窃听的设计方案。在基站发射信息的同时，不可信的用户中继试图窃听另一个合法用户的私有消息，利用波束成形技术，将合法用户的私有流尽量置于中继用户的零空间，提高用户的安全性。基于此模型，本发明专利技术提供一种联合优化预编码矩阵、直接传输时隙、每个用户公有消息速率的设计方法，该方法能够根据模型参数生成基站的最佳预编码矩阵和直接传输知悉以最大化用户的安全传输速率。大化用户的安全传输速率。大化用户的安全传输速率。

【技术实现步骤摘要】
存在不可信中继威胁的协作速率分割网络安全传输方法


[0001]本专利技术属于基于速率分割框架下行网络安全速率优化领域，涉及一种在不可信中继用户协助下的安全传输方案，具体是指基站在不可信中继用户的协助下采用速率分割框架服务用户时，联合优化线性预编码和直接传输时隙，从而最大化用户的安全传输速率。

技术介绍

[0002]速率分割(RS)方案是一种下行多天线多址接入框架，它将用户信息分为公有部分和私有部分，在发射端通过线性预编码技术将公有消息和各用户的私有消息在同一个时频资源块中叠加传输。增加多播公有消息部分加强了用户之间的干扰管理，还可以减少不理想发射端信道信息(CSIT)造成的用户间干扰，减少反馈开销。在接收端采用串行干扰消除(SIC)技术对部分干扰进行解码，并将剩余干扰部分作为噪声处理，串行干扰消除接收机实现的性能依赖于预编码技术。速率分割策略是一种可以统合多种多址接入技术的框架，如正交多址接入(OMA)、非正交多址接入(NOMA)、空分复用接入(SDMA)等。由于速率分割策略将更多功率分配给公有流，它可以在窃听者无法成功解码公有流时将私有流隐藏在公有流中，提高系统的安全性。
[0003]用户间协作中继可以有效地提高系统的可靠性和吞吐量，协作中继广播信道策略是将拥有更好信道状态的用户作为用户中继节点，通过中继辅助链路向其他用户转发协作信息，这样可以提高系统的容量和可靠性。在非正交多址接入背景下采用协作中继广播信道策略可以利用用户信道差异，改善中断性能，提高频谱和能量效率。
[0004]由于无线通信传输媒介的开放性，无线信道的广播性，用户的复杂性，其中可能存在窃听者，对用户的隐私、安全等造成了很大的威胁。传统提高安全性的方法是在网络层通过密钥对信息进行加解密，通过数学算法加密信息，防止窃听者解密信息。但是复杂的算法加解密实时性差，而且随着计算机运算能力的提高，窃听者可能能够破解密钥，造成消息泄露。为了解决这个问题，可以在物理层利用无线信道的特性，增加合法用户与窃听者之间信道条件的差异，在保证合法用户可以正确接收信息的情况下降低窃听者获得的发射信号的信息量，使其趋向于零。物理层安全可以通过波束成形、添加人工噪声、等方式提高系统的安全性能，将物理层安全技术与上层安全技术相结合可以更大限度的保证合法用户信息的安全性。
[0005]在速率分割系统中采用用户中继协作可以有效利用不同用户的信道差异，提高信息传输速率，保证系统的稳定性。由于公有流可以被不可信中继用户解码，在开放的无线通信网络中如何保证其他合法用户私有消息的安全传输至关重要。在保证不可信中继用户的服务质量(QoS)情况下，本专利技术以最大化安全传输速率与公有消息传输速率之和为目标，对预编码矩阵以及直接传输时隙进行了合理设计。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决具有不可信中继用户协助传输的速率分割系统中较远合法
用户的反窃听问题。基站服务远近距离两个用户，距离近的用户作为不可信用户中继协助基站向远距离用户转发公有消息，具体方案如图1。基于此模型本专利技术提供了一种联合优化预编码矩阵和直接传输时隙的方案，从而提高用户的安全传输速率与公有消息传输速率之和。
[0007]本专利技术解决技术问题采用的技术方案如下：
[0008]一种存在不可信中继威胁的协作速率分割网络安全传输方法，包括以下步骤：
[0009]第一步，构建系统模型：
[0010]1)在一个多输入单输出(MISO)的下行链路中，设有一个具有N
T
根天线(N
T
≥2)的基站和两个单天线用户(U1，U2)。U1到基站的距离比U2到基站的距离更近，U1作为不可信的用户中继通过解码转发方式协助基站向U2转发公有消息，U1工作在半双工(HD)模式。在直接传输时隙，基站采用速率分割方式向两个用户发射消息，U1窃听U2的私有消息。在协作传输时隙，U1将公有消息转发给U2。
[0011]2)在该模型中，基站到U1，基站到U2，U1到U2的信道分别表示为h1，h2，h3，它们是瑞利衰落信道。根据速率分割原则，U
k
的消息被分为一个公有部分W
c,k
和一个私有部分W
p,k
(k＝1,2)。W
c,1
和W
c,2
结合形成一条超级公有消息W
c
，由可以被所有用户解码的公共码本编码成公有流s
c
，W
p,1
和W
p,2
分别编码成私有流s1和s2。预编码矩阵是P＝[p
c
,p1,p2]，其中p
c
是公共流预编码向量，p1,p2是私有流预编码向量。信号流s＝[s
c
,s1,s2]T
由预编码矩阵P进行线性预编码，其发射信号为：
[0012]x＝Ps＝p
c
s
c
+p1s1+p2s2,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]其中(
·
)
T
表示向量或矩阵的转置。假定E[ss
H
]＝I，其中E[
·
]表示期望，I是单位阵。基站发射功率由tr(PP
H
)≤P
t
限制，其中tr(
·
)是矩阵的迹，(
·
)
H
表示向量或矩阵的共轭转置，P
t
是基站可以发射的最大功率。
[0014]3)在直接传输时隙θ内，基站以最大发射功率P
t
向两个用户发射消息。在协作传输时隙1
‑
θ内，U1将解码再重新编码的公有消息转发给U2，中继转发功率为P
r
。
[0015]直接传输过程中，U
k
收到的信号为：
[0016][0017]其中，n
k
是加性白高斯噪声(AWGN)，服从分布均值为0，方差为σ
k2
的复高斯分布，即
[0018]由于大部分发射功率分配给公有流，所以在解码公有流时，将所有用户私有流均视作噪声，U
k
在解码s
c
时的信号与干扰加噪声比(SINR)为：
[0019][0020]在直接传输时隙θ内，U
k
解码公有流s
c
的速率为：
[0021][0022]解码私有流时，先采用串行干扰消除检测分离公有消息信号，再将另外一个用户的信号视作干扰来解码私有流。U
k
在解码s
k
时的信干噪比为：
[0023][0024]整个时隙过程内，U
k
解码s
k
的速率为：
[0025][0026]U1可以通过串行干扰消除移除公有流s
c
和自己的私有流s1来解码本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种存在不可信中继威胁的协作速率分割网络安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构建系统模型：1)在一个多输入单输出MISO的下行链路中，设有一个具有N
T
根天线的基站和两个单天线用户(U1，U2)，其中，N
T
≥2，U1到基站的距离比U2到基站的距离近，U1作为不可信的用户中继通过解码转发方式协助基站向U2转发公有消息；在直接传输时隙，基站采用速率分割方式向两个用户发射消息，U1窃听U2的私有消息；在协作传输时隙，U1将公有消息转发给U2；2)在该模型中：基站到U1，基站到U2，U1到U2的信道分别表示为h1，h2，h3，均为瑞利衰落信道；根据速率分割原则，U
k
的消息被分为一个公有部分W
c,k
和一个私有部分W
p,k
，其中k＝1,2；W
c,1
和W
c,2
结合形成一条超级公有消息W
c
，由可以被所有用户解码的公共码本编码成公有流s
c
，W
p,1
和W
p,2
分别编码成私有流s1和s2；预编码矩阵是P＝[p
c
,p1,p2]，其中p
c
是公共流预编码向量，p1,p2是私有流预编码向量；信号流s＝[s
c
,s1,s2]
T
由预编码矩阵P进行线性预编码，其发射信号为：x＝Ps＝p
c
s
c
+p1s1+p2s2,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，假定E[ss
H
]＝I，其中E[
·
]表示期望，I是单位阵；基站发射功率由tr(PP
H
)≤P
t
限制，P
t
是基站可以发射的最大功率；3)在直接传输时隙θ内，基站以最大发射功率P
t
向两个用户发射消息；在协作传输时隙1
‑
θ内，U1将解码再重新编码的公有消息转发给U2，中继转发功率为P
r
；直接传输过程中，U
k
收到的信号为：其中，n
k
是加性白高斯噪声，服从分布均值为0，方差为σ
k2
的复高斯分布，即在解码公有流时，将所有用户私有流均视作噪声，U
k
在解码s
c
时的信号与干扰加噪声比为：在直接传输时隙θ内，U
k
解码公有流s
c
的速率为：解码私有流时，先采用串行干扰消除检测分离公有消息信号，再将另外一个用户的信号视作干扰来解码私有流；U
k
在解码s
k
时的信干噪比为：整个时隙过程内，U
k
解码s
k
的速率为：U1可以通过串行干扰消除移除公有流s
c
和自己的私有流s1来解码U2的私有流s2，U1在窃听s2时的信噪比为：
整个直接传输时隙过程内，U1解码s2的窃听速率为：U2的安全传输速率为：其中[x]
+
＝max{x,0}.协作传输过程中，中继用户U1重新编码公有消息发送给U2；U2收到的信号为：其中，n3是加性白高斯噪声，服从分布均值为0，方差为σ
32
的复高斯分布；U2在解码s
c
时的信噪比为：在协作传输时隙1
‑
θ内，U2解码公有流s
c
的速率为：整个时隙过程内，U1解码公有流s
c
的速率为U2解码公有流s
c
的速率为为了保证两个用户都可以成功解码公有流，公有消息传输速率需要满足：R
c
＝min{R
c,1
,R
c,2
}.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)对于可能存在的外部窃听者，在外部窃听者无法解码公有消息时，公有消息可以作为人工噪声来防止外部窃听者窃听合法用户的私有消息；由于速率分割策略中，基站将更多的功率分配给公有消息，因此可以将私有消息隐藏在公有消息中，提高私有消息的安全性，此时，外部窃听者窃听U2私有消息的速率为：其中，h
e
为基站到外部窃听者的信道信息，满足瑞利衰落，σ
e2
是加性高斯白噪声的功率；第二步，确定目标函数，提出优化问题：所提出的优化问题如下：s.t.c1+c2≤R
c
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15b)(15b)c1≥0,c2≥0,
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15e)
R
p,1
≥r
1th
,
ꢀꢀ
(15f)tr(PP
H
)≤P
t
,
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15g)0＜θ≤1,
ꢀꢀꢀꢀ
(15h)其中，u是R
2sec
和R
c
的权重，可以通过调整u来改变R
2sec
和R
c
的优化重要程度，θ是直接传输时隙，P是线性预编码矩阵，c＝[c1,c2]，c
k
代表U
k
的公有消息W
c,k
的速率；式(15a)表示要找到最优的θ，P以及c，使优化目标最大化；式(15b)是两个用户公有消息部分的速率限制，式(15c)和式(15d)保证了用户的服务质量，R
1th
和R
2th
是U1和U2的服务质量门限阈值，式(15e)代表用户在公有消息分配中的速率是非负的，式(15f)表示U1私有消息传输速率大于解码门限r
1th
，式(15g)是基站传输功率限制，式(15h)是直接传输时隙分配限制；此时，由于公有流必须被所有用户解码，所以可以将更多的U1消息分配给公有消息，提高系统的公平性的同时不造成U2的信息泄露；第三步，设计算法解决优化问题：采用连续凸逼近的近似方法来求解上述优化问题；引入变量ν＝[ν
p,1
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟禹桥，赵楠，蒋旭，陈炳才，邹德岳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：