一种双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法。

背景技术：

近年来，双向中继网络由于频谱效率高的优势受到了广泛的关注。然而现有的工作大多只关注增强通信可靠性的技术，比如网络编码、中继选择和分布式波束形成等，很少涉及双向中继系统中的安全问题。另外，物理层安全技术由于不需要复杂的秘钥分配和管理，以及可以提供不依赖于计算的绝对安全，被认为是未来解决无线通信安全问题的可靠手段。

目前，针对双向中继系统安全问题的物理层安全技术研究主要涉及高斯窃听信道中的可实现私密速率、协作中继和干扰源的选择策略以及安全波束形成等，这些方案大多假设窃听者是网络之外的独立个体，然而在一些应用场景中，中继本身可能是为了辅助通信而架设的临时节点，它们具有比终端用户更低的信息访问权限，因此，中继作为通信过程的协助者，同时还是潜在的窃听者。针对上述问题，研究一种对抗不可信中继窃听行为的安全传输方法具有重要意义。

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，提供了一种双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法，该方法能够对抗不信中继节点的窃听行为，信息传输的安全性较高。

为达到上述目的，本发明所述的双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法，所述双向中继系统包括用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r，其中，用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r均配置单天线，该空口加密方法包括以下步骤：

1)不可信中继节点r向用户节点a及用户节点b发送导频序列，用户节点a及用户节点b利用接收到的导频序列分别估计出信道状态信息har及信道状态信息hbr；

2)用户节点a根据估计出的信道状态信息har调整发射功率，然后进行信号的发射；用户节点b根据估计出的信道状态信息hbr调整发射功率，然后进行信号的发射，其中，用户节点a及用户节点b发射的信号形式为：

其中，ρar为用户节点a的瞬时信道增益，ρbr为用户节点b的瞬时信道增益，ρth，a及ρth，b分别为用户节点a及用户节点b的信道截断门限，xa及xb分别为用户节点a及用户节点b发送的信息载荷符号，σ为发射信号到达不可信中继节点r时的功率，sa和sb分别为用户节点a及用户节点b的实际发射信号；

3)不可信中继节点r接收用户节点a及用户节点b发送过来的信号，其中，不可信中继节点r接收得到的混合信号yr为：

4)不可信中继节点r将接收到的混合信号yr进行放大，得广播信号sr，然后将广播信号广播给用户节点a及用户节点b，用户节点a及用户节点b对各自接收到的信号进行自干扰消除，分别得用于符号检测的充分统计量及然后根据用于符号检测的充分统计量及进行ml检测，用户节点a根据ml检测的结果估计出信息载荷符号xb，用户节点b根据ml检测的结果估计出信息载荷符号xa，完成双向中继系统中基于星座重叠的空口加密。

构建如下优化问题p1，其中，该优化问题p1中的目标函数为每次信道使用中正确传输的比特数，该优化问题p1中的约束条件为用户节点a及用户节点b的平均功率约束，所述优化问题p1为：

其中，和分别为用户节点a和用户节点b处解码的比特错误概率，(1-pout)表示用户节点a的信道及用户节点b的信道同时高于各自截断门限的概率，ei(x)为指数积分函数，为用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r的平均发射功率；

求解所述优化问题p1，得用户节点a的信道截断门限ρth，a及用户节点b的信道截断门限ρth，b。

用户节点b处解码的比特错误概率的表达式为：

表示符号错误概率，其中，

其中，表示成对错误概率，即

其中，

求解所述优化问题p1的具体操作为：

将发射信号到达不可信中继节点r时的功率σ及用户节点b的信道截断门限ρth，b均近似为ρth，a的函数，即

再将式(7)及式(8)代入优化问题p1中，则优化问题p1转换为优化问题p2，其中，

其中，na为关于ρth，a的拟凹函数，且na只有唯一的驻点；

通过截断门限搜索算法求解优化问题p2，得用户节点b的信道截断门限ρth，a的数值解。

通过截断门限搜索算法求解优化问题p2的具体过程为：

步骤4)的具体操作为：

不可信中继节点r将接收到的混合信号yr进行放大，得广播信号sr，然后将广播信号sr广播给用户节点a及用户节点b，其中，广播信号sr为：

为功率归一化因子；

则用户节点a及用户节点b收到的广播信号分别为ya及yb，其中，

其中，na及nb分别为用户节点a处的接收机加性噪声及用户节点b处的接收机加性噪声，用户节点a及用户节点b对各自接收到的信号进行自干扰消除，分别得用户节点a及用户节点b用于符号检测的充分统计量及其中，

对用户节点a及用户节点b用于符号检测的充分统计量及进行ml检测，用户节点a根据ml检测的结果估计出载荷符号xb，用户节点b根据ml检测的结果估计出载荷符号xa，完成双向中继系统中基于星座重叠的空口加密。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法在具体操作时，采用信道反转，实现星座重叠及空口加密，以对抗不可信中继节点的窃听行为，进而提高信息传输的安全性，具体的，不可信中继节点r以混合信号形式接收用户节点a及用户节点b发送过来的信号，然后再将所述混合信号放大后作为广播信号广播给用户节点a及用户节点b，用户节点a及用户节点b对接收到的信号进行自干扰消除，然后进行ml检测，即可估算出对方的信息载荷符号，其中，需要说明的是，不可信中继节点r接收到的混合信号中xa和xb具有相同的能量，其星座图完全重合，混合信号对(xa，xb)与xa+xb不再具有一一映射关系，因此，不可信中继节点r只能解码出xa+xb，而无法分别解码出信号xa及信号xb，从而有效的保证了信息传输的安全性，经仿真，采用常规调制方式时，不可信中继节点r解码用户数据的符号错误概率高于0.2。另外，需要说明的是，与已有基于密钥反馈的安全传输方案相比，本发明无需在收发双方之间进行必要的密钥协商或者预共享操作，因此系统的资源开销较低。

附图说明

图1为采用不同传输方案时误码性能的仿真对比图；

图2为采用不同传输方案时和速率随信道截断门限的变化曲线图；

图3为采用不同传输方案时和速率随信噪比的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

双向中继系统包括用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r，其中，用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r均配置单天线，本发明所述的双向中继系统中基于星座重叠的空口加密方法包括以下步骤：

1)不可信中继节点r向用户节点a及用户节点b发送导频序列，用户节点a及用户节点b利用接收到的导频序列分别估计出信道状态信息har及信道状态信息hbr；

2)用户节点a根据估计出的信道状态信息har调整发射功率，然后进行信号的发射；用户节点b根据估计出的信道状态信息hbr调整发射功率，然后进行信号的发射，其中，用户节点a及用户节点b发射的信号形式为：

其中，ρar为用户节点a的瞬时信道增益，ρbr为用户节点b的瞬时信道增益，ρth，a及ρth，b分别为用户节点a及用户节点b的信道截断门限，xa及xb分别为用户节点a及用户节点b发送的信息载荷符号，σ为发射信号到达不可信中继节点r时的功率，sa和sb分别为用户节点a及用户节点b的实际发射信号；

3)不可信中继节点r接收用户节点a及用户节点b发送过来的信号，其中，不可信中继节点r接收得到的混合信号yr为：

4)不可信中继节点r将接收到的混合信号yr进行放大，得广播信号sr，然后将广播信号广播给用户节点a及用户节点b，用户节点a及用户节点b对各自接收到的信号进行自干扰消除，分别得用于符号检测的充分统计量及然后根据用于符号检测的充分统计量及进行ml检测，用户节点a根据ml检测的结果估计出信息载荷符号xb，用户节点b根据ml检测的结果估计出信息载荷符号xa，完成双向中继系统中基于星座重叠的空口加密。

构建如下优化问题p1，其中，该优化问题p1中的目标函数为每次信道使用中正确传输的比特数，该优化问题p1中的约束条件为用户节点a及用户节点b的平均功率约束，所述优化问题p1为：

其中，和分别为用户节点a和用户节点b处解码的比特错误概率，(1-pout)表示用户节点a的信道及用户节点b的信道同时高于各自截断门限的概率，ei(x)为指数积分函数，为用户节点a、用户节点b及不可信中继节点r的平均发射功率；

求解所述优化问题p1，得用户节点a的信道截断门限ρth，a及用户节点b的信道截断门限ρth，b。

用户节点b处解码的比特错误概率的表达式为：

表示符号错误概率，其中，

其中，表示成对错误概率，即

其中，

求解所述优化问题p1的具体操作为：

将发射信号到达不可信中继节点r时的功率σ及用户节点b的信道截断门限ρth，b均近似为ρth，a的函数，即

再将式(7)及式(8)代入优化问题p1中，则优化问题p1转换为优化问题p2，其中，

其中，na为关于ρth，a的拟凹函数，且na只有唯一的驻点；

通过截断门限搜索算法求解优化问题p2，得用户节点b的信道截断门限ρth，a的数值解。

其中，通过截断门限搜索算法求解优化问题p2的具体过程为：

步骤4)的具体操作为：

不可信中继节点r将接收到的混合信号yr进行放大，得广播信号sr，然后将广播信号sr广播给用户节点a及用户节点b，其中，广播信号sr为：

为功率归已化因子；

则用户节点a及用户节点b收到的广播信号分别为ya及yb，其中，

其中，na及nb分别为用户节点a处的接收机加性噪声及用户节点b处的接收机加性噪声，用户节点a及用户节点b对各自接收到的信号进行自干扰消除，分别得用户节点a及用户节点b用于符号检测的充分统计量及其中，

对用户节点a及用户节点b用于符号检测的充分统计量及进行ml检测，用户节点a根据ml检测的结果估计出载荷符号xb，用户节点b根据ml检测的结果估计出载荷符号xa，完成双向中继系统中基于星座重叠的空口加密。