一种多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法。

背景技术：

多用户中继系统广泛存在于LTE-A和5G网络中，然而由于无线媒体的开放性，多用户中继系统很容易受到窃听者的攻击。发送给合法用户的信号，也可以被其他用户所接收，这时未被调度的用户就表现为潜在的窃听者，带来安全隐患。针对此类问题，以往大都采用密码学加密技术，为每个用户分配不同的秘钥，依靠秘钥的高破译复杂度来保障合法用户信息的私密性。然而，随着高性能计算机的快速发展，这种依赖于计算安全的加密技术受到越来越大的挑战。物理层安全技术由于能够利用无线信道的特性，提供不依赖于计算的安全保障，同时实现灵活、精细及多样化的安全配置受到了越来越多的关注。

目前针对多用户中继系统已有文献提出了一些基于物理层安全的传输技术，包括波束成型，功率控制和协作干扰等。其中一种基于多用户的协作干扰技术(MUCJ)在保障安全方面具有显著效果，同时具有较低的实现复杂度。但是此方案也存在问题，它所保障的安全严重依赖于用户间信道信息的安全性，在某些情况下，当窃听者得知用户间信道信息时，此方案无法保障合法用户接收信息的私密性。例如，在蜂窝网络中，基站与合法用户往往需要握手过程来建立通信，窃听者可以利用合法用户在这个过程中发送的导频信号估计出用户间信道信息。因此，提出一种更加可靠的、不依赖于信道信息安全性的协作传输方法，保障多用户中继网络下行链路的信息传输安全具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法，该方法能够保证多用户中继网络下行链路的信息传输安全。

为达到上述目的，本发明所述的多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法中多用户中继网络包含源节点S、中继节点R及N个用户节点U_j，其中，j＝1,…,N，源节点S与各用户节点之间均不存在直达链路，第i个用户节点处的接收机加性噪声为n_i，噪声功率为N₀，所有用户节点的发射功率为P，多用户中继网络工作于时分双工模式下，每个调度单元内的信息传输包括以下步骤：

1)选取合法用户节点及协作用户节点源节点S及合法用户节点分别向中继节点R发送信息符号x_S及工噪声信号同时协作用户节点向中继节点R发送人工噪声信号

2)中继节点R接收合法用户节点协作用户节点及源节点S发送过来的混合信号y_R，并将所述混合信号y_R进行放大，再转发给所有用户节点，同时协作用户节点发送人工噪声信号

3)合法用户节点接收中继节点R及协作用户节点发送过来的信号，再根据接收到的信号进行自干扰消除，得用于符号检测的充分统计量然后根据用于符号检测的充分统计量估计信息符号x_S，实现多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护。

根据调度准则选取合法用户节点及协作用户节点其中，调度准则为：

其中，ρ_Rm为中继节点R与合法用户节点之间的瞬时信道增益，ρ_Rk为中继节点R与协作用户节点之间的瞬时信道增益。

中继节点R接收到的混合信号y_R为：

其中，n_R为中继节点R的加性噪声。

中继节点R将收到的混合信号y_R进行放大，然后转发给所有用户节点，其中，中继节点R向所有用户节点转发的信号S_R＝αy_R，其中，α为功率归一化系数，h_SR为源节点S到中继节点R之间的信道系数，为中继节点R到合法用户节点之间的信道系数，为中继节点R到协作用户节点之间的信道系数。

步骤2)中协作用户节点发送的人工噪声为：

其中，为协作用户节点到合法用户节点之间的信道系数。

步骤3)中合法用户节点接收到的信号为：

其中，表示第个用户节点处的加性噪声。

步骤3)中用于符号检测的充分统计量的表达式为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法在具体操作时，通过协作用户节点发送人工噪声信号，从而恶化窃听者的接收信干噪比，增大窃听难度，提升系统安全性，同时合法用户节点通过自干扰消除干扰，避免合法用户节点检测性能受到影响，保证合法用户节点正常的信息接收，同时不依赖信道状态信息的情况下保证信息传输的安全性，适用于用户节点与源节点都需要发送导频信号进行信道估计的网络中，同时系统的可达私密速率随着用户数量的增加而上升，适用于具有大量用户的无线多用户中继网络中。同时与传统的通过秘钥来保障安全的密码学加密技术相比，本发明不需要进行复杂的秘钥分配及管理，降低了系统资源开销。

附图说明

图1为多用户中继系统模型图；

图2为系统的可达私密速率随信噪比(SNR)的变化曲线；

图3为系统的可达私密速率随系统用户数量N的变化曲线；

图4为系统私密中断概率随信噪比的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护方法中的多用户中继网络包括源节点S、中继节点R及N个用户节点U_j，其中，j＝1,…,N，源节点S与各用户节点之间均不存在直达链路，第i个用户节点处的接收机加性噪声为n_i，噪声功率为N₀，所有用户节点的发射功率为P，多用户中继网络工作于时分双工模式下，每个调度单元内的信息传输包括以下步骤：

1)选取合法用户节点及协作用户节点源节点S及合法用户节点分别向中继节点R发送信息符号x_S及工噪声信号同时协作用户节点向中继节点R发送人工噪声信号其中，根据调度准则选取合法用户节点及协作用户节点其中，调度准则为：

其中，ρ_Rm为中继节点R与合法用户节点之间的瞬时信道增益，ρ_Rk为中继节点R与协作用户节点之间的瞬时信道增益。

以上调度准则可以通过分布式定时器方法实现，每个用户节点根据自身与中继节点之间链路的强度设置自身定时器的时间，链路越强，定时时间越短，链路越弱，定时时间越长。在指定时隙内，最先发生计数溢出的用户节点作为合法用户节点最后发生溢出的用户节点作为协作用户节点每个用户节点只需要知道自身与中继节点之间的信道信息即可，复杂度较低。

2)中继节点接收合法用户节点协作用户节点及源节点S发送过来的混合信号y_R，并将所述混合信号y_R进行放大，再转发给所有用户节点，同时协作用户节点发送人工噪声信号其中，中继节点R接收到的混合信号y_R为：

其中，n_R中继节点的加性噪声，中继节点R将收到的混合信号y_R进行放大，然后转发给所有用户节点，其中，中继节点R向所有用户节点转发的信号S_R＝αy_R，其中，α为功率归一化系数，

窃听者U_e的接收信号可以表示为

与此同时，为了能够在合法用户节点处达到干扰抵消的目的，协作用户节点发送的人工噪声为：

为满足上式，协作用户节点需要知道信道状态信息和其可以通过以下方法实现。进行通信之前，通常包含握手过程。在这个过程中，RTS/CTS(Request-to-Send/Clear-to-Send)信号将会被发送用于建立通信，对于本发明所述的多用户中继系统，中继节点R首先向所有用户节点广播RTS信号，根据自身定时器溢出情况所确定的合法用户节点和协作用户节点向中继节点R发送CTS应答信号。利用包含在CTS和RTS信号中的导频信号，合法用户节点和协作用户节点分别可以估计出信道系数和同时协作用户节点还可以估计出最后合法用户节点将发送给协作用户节点

3)合法用户节点接收中继节点及协作用户节点发送过来的信号，再根据接收到的信号进行自干扰消除，得用于符号检测的充分统计量然后根据用于符号检测的充分统计量估计信息符号x_S，实现多用户中继网络下行链路协作物理层隐私保护。

其中，步骤3)中合法用户节点接收到的信号为：

步骤3)中用于符号检测的充分统计量的表达式为：

合法用户节点进行最大似然(ML)检测，其接收信干噪比可以表示为：

其中，ρ_ij＝SNR|h_ij|²(i，j∈{S，R，1，...，N})，上式表明，合法用户节点的SINR的分子是SNR的二次式，而分母是SNR的一次式，可见随着SNR的提高，不断增大，合法用户节点的性能得到提升，另一方面，窃听者U_e在第二阶段的接收信号为

为了达到窃听的目的，窃听者U_e利用两个阶段的接收信号进行符号检测，两阶段的接收信号可以写作如下向量形式

其中，w_e为有色噪声矢量，其中，

为了获得最佳的检测性能，窃听者U_e首先进行噪声白化，白化的方法是将y_e乘以矩阵得到

其中，K_z为w_e的协方差矩阵，定义为z为白化后的白高斯噪声矢量，其均值为[0，0]^T，协方差矩阵为单位阵。窃听者U_e对白化后的信号进行匹配滤波，得到如下用于符号判决的充分统计量其中，

由此得窃听者U_e的接收SINR为

基于上式得出的γ_e的确切表达式十分复杂，为了从γ_e的结果中更加清晰的看出窃听者的解码性能，忽略其接收机噪声，即假设这显然对窃听者U_e的是有利的，因此，我们得到的实际上是γ_e的上界为：

上式表明，随着SNR的提高，将趋近于一个常数，这意味着，U_e的解码是干扰受限的，即使在接收机不存在噪声的理想情况下，它的性能也不会随着SNR的提高而得到改善，因此增加了窃听难度，保障了合法用户信息的私密性。

本发明可达私密速率和私密中断概率的仿真结果在附图中给出，同时选取了两个基准方案MUCJ和MURS做对比，它们的工作原理简述如下：

MURS方案是一种传统的机会调度方案，中继节点采用标准的放大转发协议，其工作过程为：源节点按帧发送数据，每个帧的传输分为两个阶段。在每一帧数据传输开始之前，源节点根据信道状态信息选择中继节点到用户节点信道质量最好的用户节点作为合法用户节点进行通信。第一阶段，源节点向中继节点发送有用信号；第二阶段，中继节点将收到的信号进行放大，并转发给所有用户节点；合法用户节点接收到中继节点的广播信号以后进行检测判决。

MUCJ方案是一种多用户协作干扰方案，其工作过程为：源节点按帧发送数据，每个帧的传输分为两个阶段。在第一阶段，基站根据信道状态信息调度一个用户节点作为合法用户节点进行通信，然后源节点和合法用户节点分别向中继节点发送有用信号及人工噪声信号；在第二阶段，中继节点将接收到的混合信号放大并转发给所有用户节点。合法用户节点接收到广播信号之后首先进行自干扰消除，然后做符号检测。

仿真环境为：所有用户节点都分布在一个二维平面坐标系中，除非特别说明，源节点S和中继节点R分别位于(0,0)和(0.5,0)，所有用户节点随机分布在以(1,0)为圆心，以0.2为半径的圆形区域内，信道系数其中，d_ij为用户节点i和用户节点j之间的距离，-3表示大尺度衰落系数，所有方案的仿真中均假设窃听者知道用户间信道信息。

图2表明，随着信噪比的提高，本发明的可达私密速率上升，而基准方案的可达私密速率维持在一个接近零的常数，这意味着本发明即使在用户节点间信道信息被窃听者得知时仍然可以保障合法用户节点的信息安全，同时系统的可达私密速率性能可以随着信噪比的提高而得到改善，与基准方案相比具有明显的优势。

图3表明，随着系统中用户数量的增加，本发明的可达私密速率上升，而基准方案的可达私密速率随着用户数量增加而下降，因此本发明可以提取多用户分集，特别适合于应用在具有大量用户的场景。

图4表明，本发明的私密中断概率随着信噪比的提高而下降，而基准方案则基本维持在一个接近1的常数，当信噪比为30dB时，本发明的私密中断概率接近10^-4，而基准方案仍保持在10^-1以上。

综合以上结果，与基准方案相比，本发明在保障安全性和可靠性方面具有显著的优越性。