基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法。

背景技术：

移动互联网的迅猛发展为人们的工作、生活带来了极大的便利，与此同时，伴随而来的无线传输中的安全问题也愈发严重。除了传统的上层加密技术，近年来，一种更为底层的安全传输技术——物理层安全传输技术引起了研究人员广泛关注。物理层安全主要研究合法信道与窃听信道之间的差异，目的是增强合法信道质量的同时，降低窃听信道的质量，以此达到安全通信的目的。

方向调制作为一项新兴的物理层安全技术，其特点是能够将有用信号发送到指定的期望方向，保证期望接收机的正常通信，同时扭曲有用信号在其他方向上的星座图，使得窃听机无法恢复出有用信号。随后，人工噪声的概念被应用到方向调制技术中，发射机在发送有用信号的同时发送人工噪声，并且令发送的人工噪声位于期望方向的零空间内，使其对期望用户的干扰为零，而对窃听用户的干扰更加强烈，进一步保证了无线通信的安全性。传统方向调制系统虽然能够实现期望方向上的安全通信，但均假设窃听者位于期望方向之外的方向上，忽视了窃听者可能会移动至期望方向上的情况，因而存在严重的安全隐患，相关问题亟待研究人员解决。

对于中继的研究与应用由来已久，中继的加入有效地拓展了无线通信的覆盖范围、增强了无线通信的可靠性。随着协助中继与物理层安全结合研究的不断深入，除了传统的放大转发和解码转发等中继协作策略，还出现了针对物理层安全通信的协作干扰和噪声转发等策略，运用这些策略，可以克服传统信道条件的限制，在安全速率以及发射功效方面明显提升系统的性能。由此本发明引入多中继协助通信，以实现针对期望位置的安全精准无线通信。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法，将传统方向调制发射机作为中继使用，多个方向调制中继构成中继组，每个中继对接收到的源信号进行转发，并且在发送有用信号的同时加入人工噪声，使有用信号沿期望方向发送至期望位置，并在期望位置处汇聚，最大化期望接收机的接收信噪比；而人工噪声在期望方向以外的区域相互叠加，并且覆盖中继到期望位置的路径及其延长线，即对传统方向调制中存在安全隐患的区域进行干扰，实现期望位置的安全精准无线通信。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：每个方向调制中继均配置均匀线性阵列天线，并且具备收发信号的能力，工作在全双工模式，以译码转发的形式进行信号转发；对于单个中继而言，定义其指向期望位置的方向为相应的期望方向；每个中继根据自身的期望方向，利用最大化信泄噪比准则或者正交投影法计算有用信号波束成形向量和人工噪声投影矩阵，使得阵列天线发送的有用信号的主瓣指向期望方向，即对准期望位置。

进一步地，具体过程包括：s1.在第一个时隙中，源发射机将有用信号发送给方向调制中继组，所有中继接收到有用信号后先对其进行译码，然后对译码信号在编码，用于第二个时隙的转发；s2.考虑两种应用场景分别设计有用信号波束成形向量与人工噪声投影矩阵：1)当窃听者位置信息已知时，利用最大化信泄噪比准则，使有用信号在期望位置的能量最大化，同时使人工噪声在窃听位置的能量最大化；2)当窃听角位置信息未知时，利用正交投影法，使期望位置获得最大的接收信噪比，同时人工噪声位于期望方向导向向量的零空间，即阵列天线发送的人工噪声在期望位置处形成“零陷”；s3.在第二个时隙中，每个中继根据s2中计算相应的有用信号波束成形向量以及人工噪声投影矩阵，将第一个时隙中经过再编码的有用信号与随机产生的人工噪声信号一同发射出去。

进一步地，当窃听位置信息已知，利用最大化信泄噪比准设计有用信号波束成形向量时，将有用信号发送到期望位置处的能量与泄漏到窃听位置的能量之比最大化；设计人工噪声投影矩阵时，将人工噪声看作是发送给窃听用户的有用信号，被期望用户接收到的人工噪声视为泄漏，使人工噪声在窃听位置处的能量与泄漏到期望位置处的能量之比最大化。

进一步地，当窃听位置信息未知，利用正交投影法设计有用信号波束成形向量时，基于最大合并比准则，使有用信号在期望位置处获得最大的信噪比；设计人工噪声投影矩阵时，目的是为了让发送的人工噪声位于期望方向导向向量的零空间中，如此，人工噪声便不会对期望位置造成干扰，而仅仅对期望位置以外的区域进行干扰，同时为了进一步增强干扰能力，利用随机向量使得发送的人工噪声在期望方向导向向量的零空间中更新，以实现动态干扰。

与现有技术相比，通过本发明提出的方法可以实现有效通信范围内指定期望位置的安全精准无线通信，并且可以在窃听者位置信息已知和未知的情况下，分别进行针对特定窃听位置的局部增强干扰和非安全区域的全面干扰，即保证有效通信范围内只有期望位置处的接收机可以正确接收并恢复出有用信号；而其余位置上的窃听者，包括位于各个中继期望方向路径上的窃听机，由于身处人工噪声的叠加覆盖范围内，受到人工噪声的干扰，导致无法恢复出有用信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1示出了一种基于方向调制的多中继协助安全精准无线通信合成方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

考虑一个四节点窃听信道模型，其中s、d和e分别表示源节点、目的节点和窃听节点，均配置单根天线。{r1,...,rm,...,rm}表示m个中继节点，每个中继配置相同的n阵元线性阵列天线。表示源节点与第m个中继节点之间的信道向量，表示第m个中继节点与目的节点间的信道向量，表示第m个中继节点与窃听节点间的信道向量。由于路径损耗等原因，故不考虑源节点s与目的节点d以及窃听节点e间的直达信道，符合中继使用场景。每个中继均配置了n元线性天线阵，所以每个中继可作为独立的方向调制发射机工作。和分别表示第m个中继节点到目的节点的期望方向和距离，类似地，和分别表示第m个中继节点到窃听节点的窃听方向和距离。考虑自由空间路径衰减模型，第m个中继节点到目的节点的向量可以表示为

其中

其中l和λ分别表示阵列天线相邻两阵元的间隔以及发射的载波信号的波长。类似地，和同样可以由式(1)和(2)得到。

假设所有中继节点均工作在半双工模式，且采用译码转发的方式转发信号，因此信息传输过程包含两个时隙。在第一个时隙中，源节点s将编码后的符号信号x(满足)发送给m个中继，第m个中继接收到的信号向量为

其中

表示从源发射机到第m个中继节点的路径衰减因子，β表示发送信号单位距离的衰减量，c表示路径衰减指数，ps表示源发射机的发射功率，表示第m个中继接收机的加性复高斯白噪声向量，服从分布。

假设所有中继均成功解码源发射机发射的符号x，则在第二个时隙中，m个中继将重新编码后的符号x与人工噪声共同发送出去。第m个中继发送的有用信号的波束成形向量记为vm，人工噪声投影矩阵及其相应的随机人工噪声向量分别记为和zm，由此，第m个中继发送的基带信号可以表示为

其中αm为功率分配因子，满足0＜αm＜1，表示第m个中继的发射功率。因此整个系统的总发射功率p0表示为

m个中继发送的信号经过los信道，在目的节点处的接收信号为

其中nd表示目的节点的接收机噪声，服从分布。而被窃听者接收到的信号为

其中窃听者接收机噪声ne服从分布。

由式(3)可得第m个中继接收速率为

由式(7)和(8)可得目的节点接收速率为

其中

窃听节点接收速率为

其中

因此整个系统的速率可以表示为

假设则整个系统的速率由第二个时隙的期望接收机速率决定，可进一步定义系统的安全速率为

rsec＝max[0,rd-re](15)

安全速率可作为衡量系统安全性能的重要指标。

本发明所提安全精准无线通信合成方法包括有用信号波束成形向量设计和人工噪声投影矩阵设计。当可以获得窃听者位置信息的情况下，利用泄漏概念对窃听者进行针对性干扰。对于第m个中继发送的有用信号，其在期望位置处的能量为

而泄漏到窃听位置的有用信号能量为

由式(16)和(17)可以定义相应的有用信号信泄噪比

根据最大化信泄噪比准则以及rayleigh-ritz定理可以求得最优的vm为矩阵

的最大特征值所对应的归一化特征向量。

对于第m个中继发送的人工噪声，可以将其看作是对窃听者发送的有用信号，其在窃听位置处的能量为

而泄漏到期望位置的人工噪声信号能量为

由式(20)和(21)可定义相应的人工噪声信泄噪比

根据最大化信泄噪比准则以及rayleigh-ritz定理可以求得的列向量由矩阵

的n-1个最大特征值所对应的特征向量组成，且满足归一化条件

当窃听者位置信息未知时，仅仅针对期望用户的接收速率进行优化，即

又由于vm和是相互独立的，因此式(24)的优化问题可以分解为

和

根据前述内容，每个中继可以作为一个独立的方向调制发射机工作，因此，当式(25)中的求和表达式中的每一个元素都取得最大值时，整个求和表达式便取得最大值，则第m个中继发送有用信号的波束成形向量为

同理，式(26)中的求和表达式的每一个元素都取得最小值时，整个求和表达式便取得最小值，则根据传统正交投影法可得第m个中继发送有用信号的人工噪声投影矩阵为

式(27)和(28)基于传统的正交投影法，在不考虑窃听者位置信息的情况下，完成了每个中继的有用信号波束成形向量设计和人工噪声投影矩阵设计。