一种ofdm放大转发中继系统中的物理层安全传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线中继系统的物理层安全技术领域，具体设及一种抵抗CFDM放大 转发（AF)中继系统中外在窃听节点窃听的时域噪声设计方法。
【背景技术】
[0002] 正交频分复用（(FDM)技术作为4G中的关键技术，它能够抗多径衰落，频谱效率 高，频谱资源分配灵活等诸多优点，解决了人们现阶段高速通信的需求。在4G系统的建设 中，为了使系统具有较高的覆盖率，较低的建设成本，人们将中继技术引入到4G系统中。中 继技术增强了无线通信的覆盖范围、服务质量，降低了建设的成本。将OFDM技术与中继技 术相结合，实现了高速的数据传输与系统容量的提升，并提高了网络建设的灵活性。
[0003] 无线通信因其内在的广播特性，存在窃听节点时，信息的安全传输得不到保证。物 理层安全作为传统加密算法的补充，从信息论的角度实现数据的安全传输，已得到越来越 多的研究。随着4G的商用，针对(FDM中继系统的物理层安全的研究已愈来愈普遍。在现 有的OFDM中继系统物理层安全文献中，最普遍的方法是在频域中添加人工噪声、或者利用 协作节点来发送干扰噪声来实现信息的安全传输，运种方法需要发送节点的天线多于目的 节点的天线、或者需要额外的帮助者。然而，对于一个所有节点都是单天线的OFDM中继系 统，没有额外的协作者帮助，前述的在频域添加人工噪声、协作干扰的方法并不可用。
[0004] 关于OFDM中继系统的物理层安全的研究，国内外方兴未艾，已有研究例如， Maruifeng等利用收发双方已知的码本，旋转各个子载波发射符号的相位，并且加入噪声扰 动，避免窃听者还原原始发送信息；钟洲等从信道互异性条件出发，提出一种随机子载波加 权的多载波加密算法，随机选择各个子载波上的加权系数扰乱窃听者的接收信号，减少信 息的泄露；DerrickWingKwanNg等研究了中继网络场景中存在被动窃听者和非理想CSI 时，OFDM译码转发中继网络的保密资源分配问题。据调研，目前还没有文献对OFDM放大 中继系统中加入时域人工噪声干扰窃听者进行研究和讨论。
【发明内容】
[0005] 针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种OFDM放大转发中继系统中的 物理层安全传输方法，该方法采用放大转发协议，基于源节点-中继-目的节点的物理信 道，在源节点加入时域人工噪声，该噪声在不干扰目的节点的同时干扰外在窃听节点，在源 节点功率和中继节点功率限制条件下，优化发送信号的功率与人工噪声的协方差矩阵最大 化安全速率。
[0006] 为达到W上目的，本发明的技术方法为：
[0007] 包括W下步骤：
[0008] 1)在每次传输之前，源节点将频域信号转换为时域信号，根据源节点和目的节点 估计源-中继-目的之间的等效时域信道信息，结合已知的中继采用的放大系数，源节点构 造出时域信道噪声，所述时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时域信道噪 声W及有用信号进行发送；
[0009] 2)中继节点对所接收到的信号乘W放大系数后直接进行转发；
[0010] 3)目的节点接收信号，获取有用信号。
[0011] 2、如权利要求1所述的OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，其特征 在于，步骤3)后还包括步骤4):
[0012] 目的节点计算其与窃听节点处的互信息量，得到安全速率表达式，在源节点和目 的节点功率限制条件下，对安全速率表达式进行求解，获取最优的有用信号发送功率与人 工噪声协方差矩阵，源节点按照所获取的最优的有用信号发送功率与人工噪声协方差矩 阵，对时域信道噪声W及有用信号进行发送。
[0013] 所述步骤4)具体为：
[0014] 所述根据目的节点和窃听节点接收到的信号，计算出互信息量，得到安全速率优 化问题：
[0015]
议
[0016] 其中，Rs为安全速率，N为源节点发送符号个数，Xd为噪声方差，PA为源节点处的 最大功率，Pi为第i个子载波上的信号功率。
[0017] 得到安全速率优化问题之后，对问题进行求解，求解步骤如下所示：
[001引a)引进一个松弛变量ti替换Ce({Pi，SJ),得到
[0019] 鮮 巧含〇, ^^化：1:=1，，，，，苗
[0020] 其中，N为源节点发送符号个数，Sd为噪声方差，P1为第i个子载波上的信号功 率，//,,=*^於咕孤^好他产衝)"代表第1个元素，巧左,为 =佛"巧心=饼蝴好中的第i个元素，靖为 巧=仍T好邸丑二凤。各(好:，...，嗎_)中的第i个元素，皆二ffi户斬W;.代表第 i个元素，钱巧心V代表第i个元素，Gf=f/iT馬州.馬gU代表第i个元素， Qf=ffR^H化U代表第i个元素，H代表信道增益向量，
为放大系数，Pk为中
继节点处的发送功率。
[0021] b)用变量
分别替换 问题变为：
[0022] P3:
m 持的 快) 巧 > 0，之dh()，/,>()，巧?，含（)，A含（)，/. = 1、...，W
[002引C)对（3a) (3b) (3c)立式我们采用ICA技术，P3问题变为：
[0024] P4:
枉贿） (20b) 招Oc)
[0025] 其中，专为ti在第k次迭代所得到的解，巧为iii在第k次迭代所得到的解户,为 Pi在第k次迭代所得到的解，兩;为Hli在第k次迭代所得到的解。
[0026] 经过S步处理之后，原非凸问题Pl变为凸问题P4,P4可用CVX工具箱进行求解， 得到最优的信号发射功率和噪声协方差矩阵。
[0027] 所述步骤1)中源节点构造出时域信道噪声具体包括W下步骤：
[0028] 步骤1 :源节点用IFFT将频域信号转化成时域信号，并加上内容提供商CP ;
[002引步骤2 :源节点根据估计得到的源节点-中继-目的节点的等效信道，构造出所添 加的时域信道噪声曰，即
[0030]a=Ud
[0031] U=n加U"U= 1.、"，d~CV(0,玄d)
[00础其中，d~a/*佩乙d)是零均值，方差为Sd的复高斯随机向量，坟""'二恥/心V]是 去CP矩阵，N为源节点发送符号个数，Ncp为循环前缀的长度，IW为N维单位向量，H为中 继到目的节点的ToeplitZ信道矩阵，加权因子
.为放大系数，Pk为中继节点处 的发送功率，Hak为源节点到中继节点的Toeplitz信道矩阵，UH为为酉矩阵，Iwa为Nw维单 位向量；
[0033] 步骤3 :时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时域信道噪声W及 有用信号进行发送。
[0034] 与现有技术比较，本发明的有益效果为：
[0035] 本发明提供了一种OFDM放大转发中继系统中的物理层安全传输方法，通过对源 节点构造出时域信道噪声，并且将时域信道噪声处于等效时域信道零空间中，源节点将时 域信道噪声W及有用信号进行发送，中继节点对所接收到的信号乘W放大系数后直接进行 转发，使得目的节点接收信号，获取有用信号，该方案适合于OFDM单天线中继系统中，克服 了频域人工噪声需要发送节点天线要多于接收者天线的困难，或需要协作节点帮助的缺 点。避免或减少了外在的窃听节点窃听的信息，且比无噪声方案和目的节点协作方案的性 能好。
【附图说明】
[0036] 图1是(FDM中继系统模型示意图；
[0037] 图2是窃听节点靠近源节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对比 曲线图；
[0038] 图3是窃听节点靠近中继节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对 比曲线图
[0039] 图4是窃听节点靠近目的节点处，该方案与目的节点协作方案和无噪声方案的对 比曲线图
[0040] 图5是本发明的流程框图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明做详细描述。
[0042] 本发明针对OFDM放大转发中继系统提出一种抵抗外在窃听节点窃听的时域噪声 设计方法，该方法采用放大转发协议，基于源节点-中继-目的节点的物