本发明属于无线通信
技术领域：
，具体涉及不可信中继系统中基于非联合人工噪声的信息安全传输方法。
背景技术：
：：为了满足人们对预先通信业务不断增长的需要，下一代无线通信系统需要提供更高的传输速率和更可靠的传输性能。另一方面，未来无线通信网络将是一个支持多种无线通信系统的异构通信网络，利用增设基站的方法来提高无线通信网络的覆盖率将会大大提高无线通信的成本。多天线系统由于能够显著提升系统的传输性能和频谱效率，已经受到广泛关注。但是，移动终端的体积和功率限制大大制约了多天线系统的应用。协作通信已经成为近年来移动通信领域的研究热点，它将成为未来移动通信系统提高频谱效率的关键技术之一。协作通信系统的核心思想是利用无线网络中的多个节点之间相互协作，实现传输路径共享，。从而提高无线网络的吞吐量。这样可以在提高系统频谱效率的同时，有效降低增加基站所带来的大量成本。但是中继系统中的转发节点并不都是安全可靠的，也可能在转发信息的同时获取传输信息的内容，成为无线网络中的窃听者。因此，不可信中继系统的安全传输问题已受到学术界和工业界的普遍关注。作为对传统加密技术的一种补充,物理层安全技术成为一种新的研究方向。在发送信号中添加人工噪声的方式是一种衰落窃听信道下实现保密通信的有效方法。在不可信中继系统中，人工噪声成为一种重要的保障安全传输的技术手段。非联合噪声指发送信号和人工噪声没有联合设计，在接收节点所收到的一个信号中不能将人工噪声和发送信号分离。技术实现要素：：本发明的目的是为了建立不可信中继节点的误码平台，提供了一种不可信中继系统中基于非联合噪声的安全传输方法。通过干扰节点发送人工噪声并利用接收节点的信号空间维度高于转发节点的特性，该传输方法能够使不可信转发节点产生误码平台并且误码率持续高于接收节点，从而保障协作通信的安全性。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：不可信中继系统中基于非联合人工噪声的信息安全传输方法，该不可信中继系统包括一个发送结点A、一个中继节点B、一个接收节点C和一个干扰节点D，所有节点都配置单副天线，且工作于半双工模式，该方法包括以下步骤：1)第一个阶段，发送节点A和干扰节点D同时分别发送有用信号和人工噪声，人工噪声为高斯白噪声，中继节点B、接收节点C都接收到来自发送节点A、干扰节点D的信号，此时作为不可信任的中继节点B有可能对将要转发的信号进行破解；2)第二个阶段，中继节点B将第一个阶段收到的信号，采用放大转发的方式转发给接收节点C，接收节点C将第一个阶段和第二个阶段接收到的两个信号进行联合判决，获取发送节点A所发送的信息；其中，本阶段接收节点C采用三种信号检测方式：迫零检测、最小均方误差检测或者最大似然检测。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，干扰节点D发射的人工噪声会同时干扰转发节点B、接收节点C对于信号的接收，也就是节点B、C在第一阶段的接收信号满足下式：y1B=PhABx+PhDBnD+n1B---(1)]]>y1C=PhACx+PhDCnD+n1C=PhACx+n′---(2)]]>式中：x表示发送节点A发出的信号，y1B、y1C表示中继节点B、C在第一阶段收到的信号，nD表示干扰节点D发出具有单位能量的复高斯白噪声，x、nD均具有单位能量且nD～CN(0,1)，CN(μ,σ02)表示均值为μ、方差为σ02的循环对称复高斯分布，n1B、n1C表示节点B、C处的加性复高斯白噪声且n1B～CN(0,σ2)、n1C～CN(0,σ2)，n′～CN(0,P|hDC|2+σ2)，hij表示节点i和节点j之间的信道系数，P表示发送节点和干扰节点的发射功率。本发明进一步的改进在于，发送结点A、中继节点B、接收节点C和干扰节点D都配置单副天线，且干扰节点D发射的人工噪声不存在于信道系数矩阵的零空间上。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，第二阶段，中继节点B将自己在第一阶段收到的信号采用放大转发的方式转发给接收节点C，如下：y2C＝βhBCy1B+n2C(3)其中，y1B表示中继节点B在第一阶段接收到的信号，hBC表示中继节点B和接收节点C之间的信道系数，β是功率归一化因子，|·|2表示复数的模平方，n2C表示节点C处的加性高斯白噪声，n2C～CN(0,σ2)，为了方便，则将(3)式进行化简得到：y2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+n′′---(4)]]>其中，将节点C在两个阶段接收到的信号y1C和y2C作为发送信号的x的两个样本，进行联合判决，构成方程组y1C=PhACx+PhDCnD+n1Cy2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+n′′---(5)]]>写成向量形式有：y1Cy2C=PhAChDCPhABhBCβ~PhDBhBCβ~xnD+n1Cn′′---(6)]]>进一步有：y=PRb+n---(7)]]>其中，y表示接收信号矢量，表示发射功率系数，R表示该中继通信系统的信道系数矩阵，b表示发送信号矢量，n表示加性高斯白噪声矢量。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，当接收节点C采用迫零检测时，对接收信号矢量左乘中继通信系统的信道系数矩阵的逆矩阵然后进行判决，来得到观测向量即：b^ZF=sgn(LZFy)---(8)]]>其中，LZF＝R-1,sgn(·)是符号函数，将式(7)代入式(8)得到，y^ZF=LZFy=R-1(PRb+n)=Pb+R-1n=Pb+n^---(9)]]>考虑的第一个元素即约定如下：对矩阵或向量X，Xij表示矩阵或向量X的第i行第j列元素，把式(9)中的各个矩阵、向量的具体元素代入，得到：y^ZF11=Px+ρ22n1C-ρ12n′′ρ11ρ22-ρ12ρ21=Px+n~---(10)]]>其中，为了表示方便，约定考虑到式(10)中，n1C和n″是相互独立的，得到式(10)中的的统计特性如下：n~~CN(0,ρ22n1C-ρ12n′′(ρ11ρ22-ρ12ρ21)2)]]>进一步代入有，这样就求出接收节点C的信干噪比，如下SINRCZF=Pvar{n~}=γBC(γACγDB-γDCγAB)2γDBγBC+γDC(γBC+γAB+γDB+1)=γBC(γACγDB-γDCγAB)2γDBγBC+γDCmβ^---(11)]]>其中，var{·}表示变量的方差。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，当接收节点C采用最小均方误差检测时，回顾式(7)，对接收信号矢量左乘一个最佳矩阵LMMSE然后进行判决，来得到观测向量即：b^MMSE=sgn(LMMSEy)---(12)]]>该最佳矩阵LMMSE使得最终得到的判决向量与发送信号矢量b的均方误差最小，即满足表示数学期望，由投影定理得到：上式写成：考虑到和其中I′由以下等式确定：那么由式(13)的等价形式得到，PRH-L(PRRH+σ2I′)=0---(14)]]>该方程的解就是LMMSE，即：LMMSE=P(PR+σ2I′(RH)-1)-1---(15)]]>由上式，结合式(7)中R的定义，有y^MMSE=LMMSEy=P(PσPR′+σ2I′Pσ(R′T)-1)-1y=(R′+I′(R′T)-1)-1yσ=ΔL′y′---(16)]]>其中，L′MMSE＝(R′+I′(R′T)-1)-1，接收节点C处的信干噪比是var{·}表示变量的方差，其中，结合和的统计特性如下：b^MMSE11~CN(LMMSE11′γAC+LMMSE12′γABγBCβ^,(LMMSE11′γDC+LMMSE12′γDBγBCβ^)2+LMMSE11′2LMMSE12′2m)---(17).]]>本发明进一步的改进在于，步骤2)中，当接收节点C采用最大似然译码时，重写式(5)，如下：y1C=PhACx+PhDCnD+n1C=PhACx+n′y2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+PhBCβ~n1B+n2C=PhABhBCβ~x+n′′′---(18)]]>其中，n′～CN(0,P|hDC|2+σ2)，写成向量形式有，y1Cy2C=PhACPhABhBCβ~x+n′n′′′⇔y=Hx+n′---(19).]]>本发明进一步的改进在于，接收节点C对接收信号矢量进行噪声白化，然后对相互独立的两个信号进行最大比合并，然后进行判决，来得到观测向量首先分析噪声的特性，其中，N满足N=γDC+1γDCγDBγBCβ^γDCγDBγBCβ^γDBγBCβ^+m---(20)]]>其中，采用噪声白化需要对N进行酉分解，即M是需要的白化噪声矩阵，满足M=1σΛ-1uT---(21)]]>对y左乘M有，y~=y~1Cy~2C=My=MHx+Mn′=H~x+n′~---(22)]]>验证，然后，对的两个信号进行最大比合并(MRC)再进行判决，这样得到的判决向量必然是满足的；SINRCML=H~112+H~212---(23)]]>其中，可由式(22)得到，即表示矩阵的第i行第j列元素。本发明所提出的不可信中继系统中基于非联合人工噪声的信息安全传输方法，具有如下优点：首先，通过干扰节点发送人工噪声并利用接收节点的信号空间维度高于转发节点的特性，该传输方法能够使不可信转发节点产生误码平台并且误码率持续高于接收节点，从而保障协作通信的安全性。其次，该方法无需干扰节点和发射结点的协调，降低了系统中各个节点间的协调问题。所引入的唯一额外开销来自接收节点C对两次接收信号的线性操作，这就意味着，所提出的策略具有很低的实现复杂度。而根据上面的说明可知，安全传输不借助信道传输矩阵的零空间，这很适合应用于单天线的通信系统。附图说明：图1为系统模型示意图；图2为三种方法下接收节点C和中继节点B的误码率随系统平均信噪比的变化曲线；图3为三种方法下遍历保密容量随系统平均信噪比的变化曲线；图4为三种方法下不同阈值时保密容量中断概率随系统平均信噪比的变化曲线；图5为三种方法下保密容量中断概率随保密容量阈值的变化曲线。具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步详细描述：如图1所示，本发明不可信中继系统中基于非联合人工噪声的信息安全传输方法，该不可信中继系统包括：一个发送结点A、一个中继节点B、一个接收节点C和一个干扰节点D。发送结点A和接收节点C之间有单向通信的需求，但是由于它们相距较远或受到障碍物遮挡，因此无法直接建立单向传输链路，需要经由中继节点B的协助，中继节点B采用放大转发协议。但是由于中继节点B的安全性未知，它在转发信息的的同时可能造成信息的泄露，所以需要干扰节点D发送人工噪声来保证信息的安全性。但是干扰节点D的人工噪声也会影响到接收节点C的接收信号。本发明提供信息安全传输方法就是为了解决上述问题。假设所有节点都配置单副天线，且工作于半双工模式。不失一般性，令每个节点的发射功率为P。将每个接收机处的加性噪声表示为零均值、方差为σ2的复高斯随机变量。在所提策略中，在第一个阶段，发送节点A和干扰节点D同时分别发送有用信号和人工噪声，人工噪声为高斯白噪声，中继节点B、接收节点C都接收到来自节点A、D的含有人工噪声的有用信号，此时作为不可信中继的中继节点B对将要转发的信号进行破解。在第二个阶段，中继节点B将第一个阶段收到的信号，采用放大转发(AF)的方式转发给接收节点C。接收节点C将第一个阶段和第二个阶段接收到的两个信号进行联合判决，获取信息。节点C的接收信号均首先经过一系列线性操作后再进行判决，本阶段接收节点C采用三种信号检测方式：迫零检测(ZF)、最小均方误差检测(MMSE)、最大似然检测(ML)。第一阶段，对于中继节点B有：y1B=PhABx+PhDBnD+n1B---(1)]]>其中，x表示发送节点A发出的信号，y1B表示中继转发节点B在第一阶段收到的信号，nD表示干扰节点D发出具有单位能量的复高斯白噪声，x、nD均具有单位能量，即且nD～CN(0,1),符号(·)*表示共轭转置，n1B表示中继节点B处的加性高斯白噪声，n1B是循环对称的零均值方差为σ2的复高斯白噪声，即n1B～CN(0,σ2)，CN(μ,σ02)表示均值为μ、方差为σ02的循环对称复高斯分布。hAB表示发送节点A和中继节点B之间的信道系数，hDB表示干扰节点D和中继节点B之间的信道系数。P表示发送节点和干扰节点的发射功率，假设它们具有一样的功率。类似的，对于接收节点C有：y1C=PhACx+PhDCnD+n1C=PhACx+n′---(2)]]>其中，y1C表示中继节点B在第一阶段收到的信号，n1C表示接收节点C处的加性高斯白噪声，n1C～CN(0,σ2),n′～CN(0,P|hDC|2+σ2)，n′～CN(0,P|hDC|2+σ2)。hAC表示发送节点A和接收节点C之间的信道系数，hDC表示干扰节点D和接收节点C之间的信道系数。第二阶段，中继节点B将自己在第一阶段收到的信号采用放大转发的方式转发给接收节点C，y2C＝βhBCy1B+n2C(3)其中，y1B表示节点B在第一阶段接收到的信号，hBC表示中继节点B和接收节点C之间的信道系数，β是功率归一化因子，|·|2表示复数的模平方，n2C表示节点C处的加性高斯白噪声，n2C～CN(0,σ2)。为了方便，则将(1)式代入(3)式，进行化简得到：y2C=βy1BhBC+n2C=1β~PhBC(PhABx+PhDBnD+n1B)+n2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+n′′---(4)]]>其中，将节点C在两个阶段接收到的信号y1C和y2C作为发送信号的x的两个样本，进行联合判决。将(2)式和(4)式联立，构成方程组y1C=PhACx+PhDCnD+n1Cy2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+n′′---(5)]]>如前所述，写成向量形式有，y1Cy2C=PhAChDCPhABhBCβ~PhDBhBCβ~xnD+n1Cn′′---(6)]]>进一步有，y=PRb+n---(7)]]>y表示接收信号矢量，表示发射功率系数，R表示该中继通信系统的信道系数矩阵，b表示发送信号矢量，n表示加性高斯白噪声矢量。当接收节点C采用迫零检测时，对接收信号矢量左乘中继通信系统的信道系数矩阵的逆矩阵然后进行判决，来得到观测向量即：b^ZF=sgn(LZFy)---(8)]]>其中，LZF＝R-1,sgn(·)是符号函数。将式(7)代入式(8)得到，y^ZF=LZFy=R-1(PRb+n)=Pb+R-1n=Pb+n^---(9)]]>考虑的第一个元素即约定如下：对矩阵或向量X，Xij表示矩阵或向量X的第i行第j列元素,把式(9)中的各个矩阵、向量的具体元素代入，就得到了，y^ZF11=Px+ρ22n1C-ρ12n′′ρ11ρ22-ρ12ρ21=Px+n~---(10)]]>其中，n1C～CN(0,σ2),为了表示方便，约定考虑到式(10)中，n1C和n″是相互独立的，可以得到式(10)中的的统计特性如下：进一步代入有，这样就可以求出接收节点C的信干噪比(SINR),SINRCZF=Pvar{n~}=γBC(γACγDB-γDCγAB)2γDBγBC+γDC(γBC+γAB+γDB+1)=γBC(γACγDB-γDCγAB)2γDBγBC+γDCmβ^---(11)]]>其中，var{·}表示变量的方差。当接收节点C采用最小均方误差检测(MMSE)时，回顾式(7)，对接收信号矢量左乘一个最佳矩阵LMMSE然后进行判决，来得到观测向量即：b^MMSE=sgn(LMMSEy)---(12)]]>该最佳矩阵LMMSE使得最终得到的判决向量与发送信号矢量b的均方误差最小，即满足由投影定理得到：上式也可以写作：考虑到和其中I′由以下等式确定：那么由式(13)的等价形式可以得到，PRH-L(PRRH+σ2I′)=0---(14)]]>该方程的解就是LMMSE，即：L=P(PR+σ2I′(RH)-1)-1---(15)]]>由上式，令结合式(6)中R的定义，有y^MMSE=LMMSEy=P(PσPR′+σ2I′Pσ(R′T)-1)-1y=(R′+I′(R′T)-1)-1yσ=ΔL′y′---(16)]]>其中，L′MMSE＝(R′+I′(R′T)-1)-1,接收节点C处的信干噪比是var{·}表示变量的方差，其中，结合和的统计特性如下：b^MMSE11~CN(LMMSE11′γAC+LMMSE12′γABγBCβ^,(LMMSE11′γDC+LMMSE12′γDBγBCβ^)2+LMMSE11′2LMMSE12′2m)---(17)]]>此时，的具体表达式过于复杂，空间有限所以省略。当节点C采用最大似然译码时，重写式(5)，y1C=PhACx+PhDCnD+n1C=PhACx+n′y2C=PhABhBCβ~x+PhDBhBCβ~nD+PhBCβ~n1B+n2C=PhABhBCβ~x+n′′′---(18)]]>其中，n′～CN(0,P|hDC|2+σ2)，写成向量形式有：y1Cy2C=PhACPhABhBCβ~x+n′n′′′⇔y=Hx+n′---(19)]]>接收节点C对接收信号矢量y进行噪声白化，然后对相互独立的两个信号进行最大比合并，然后进行判决，来得到观测向量首先需要分析噪声的特性，其中，N满足N=γDC+1γDCγDBγBCβ^γDCγDBγBCβ^γDBγBCβ^+m---(20)]]>其中，采用噪声白化需要对N进行酉分解，即M是需要的白化噪声矩阵，它满足M=1σΛ-1uT---(21)]]>对y左乘M有，y~=y~1Cy~2C=My=MHx+Mn′=H~x+n′~---(22)]]>可以验证，然后，对的两个信号进行最大比合并(MRC)再进行判决,这样得到的判决向量必然是满足的。节点C的信干噪比为SINRCML=H~112+H~212---(23)]]>其中，可由式(22)得到，即表示矩阵的第i行第j列元素。对上述方法总结如下，节点B处的信干噪比：SINRB=γABγDB+1---(24)]]>1)采用迫零(ZF)检测时，信干噪比:SINRCZF=γBC(γACγDB+γDCγAB-2γABγACγDBγDC)γDBγBC+γDC(γBC+γAB+γDB+1)---(25)]]>2)采用最小均方误差(MMSE)检测时，信干噪比：其中，满足式(17)。3)采用最大似然(ML)检测时，信干噪比:SINRCML=H~112+H~212---(27)]]>其中，当调制方式采用QPSK，则误比特率为Pb=Q(SINR)---(28)]]>其中，SINR为信干噪比。为了验证本发明所提出的信息安全传输方法的性能，本发明进行了如下的计算机仿真：在仿真中，假设所有节点间的信道系数服从同均值的瑞利衰落，这个均值称为系统平均信噪比。不失一般性，假设发送结点A、干扰节点D的发送功率P＝1。除非特别说明，在下面的仿真中各节点均采用QPSK作为调制方式。为了比较本方法的安全性能，在仿真中比较了不同自变量的情况下，三种方法下接收节点C和中继节点B的误比特率、遍历的保密容量、保密容量的中断概率。图2给出了不同方法下接收节点C和中继节点B的误码率随系统平均信噪比变化情况的仿真结果。从图2可以看出，中继节点B存在明显的误码平台，也就是说，中继节点B的误比特率不会随平均信噪比的升高而下降。这是由中继节点B受到干扰节点D的人工噪声干扰造成的。与之相对，本发明所提出的三种安全传输策略由于能够将第一阶段的受干扰信号和第二阶段经由中继节点B转发的受干扰信号进行联合的判决，由于接收节点C有更多维的信号样本能够效地消除干扰降低误比特率，因此接收节点C的误比特率将随着SNR的升高而迅速下降。从图中可以看到三种检测方式在高信噪比时的误比特率相对信噪比的斜率近似为-0.05。图3绘制了三种方法下遍历保密容量随系统平均信噪比的变化曲线。正如所预期的那样，三种方法下遍历保密容量随系统平均信噪比增加而增加。随着系统平均信噪比的增加，三种检测方式的遍历保密容量间的差异变小。与迫零检测不同，最小均方误差检测和最大似然策略的性能接近，且具有最佳的性能。图4绘制了三种方法下不同阈值时保密容量中断概率随系统平均信噪比的变化曲线。图中保密容量的阈值1是0nats/s/Hz，阈值2是0.5nats/s/Hz。因为阈值1小于阈值2，所以同样的系统平均信噪比下阈值1对应的保密容量中断概率小于阈值2。对于某一保密容量阈值，随着系统平均信噪比增加中断概率下降，且迫零检测的保密容量中断概率高于另外两种检测方式。图5绘制了三种方法下保密容量中断概率随保密容量阈值的变化曲线。两组曲线(实线组曲线和虚线组曲线)对应的系统平均信噪比分别为20dB和40dB。各条曲线对应的保密容量中断概率均随着保密容量阈值的增加而增加，且同一阈值下实线组曲线对应的保密容量中断概率大于虚线组，这是因为实线组的系统平均信噪比较低。当前第1页1 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