本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种双向全双工MIMO(多输入多输出)中继天线选择安全传输方法。
背景技术：
在无线通信技术的发展历程中，各种安全通信技术也随之发展。而其中的物理层安全基于香农理论的信道编码技术，利用无线信道复杂的空间特性和时变特性实现信息的安全传输。Wyner原创性的提出物理层安全的概念及其相关指标[1]。随后，物理层安全技术快速发展，尤其是中继协作通信技术和天线选择技术正越来越多的用于保障信息安全传输。
相较与传统无线通信网络，中继协作通信技术,尤其是双向中继正越来越多的受到研究者的关注，它不但能扩大网络覆盖范围，提高通信传输质量，而且能够有效提高安全传输性能。文献[2][3]指出协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。双向中继和单向中继一样，根据工作方式可以分为半双工中继和全双工中继，如文献[4][5]中，传统双向中继多采用半双工工作方式，只能单独实现接收或发射信息的功能，而随着技术的发展，双向中继逐渐采用全双工技术，如文献[6][7]中，无论是一般中继还是非可信中继，都采用全双工中继，全双工中继可以同时实现收发信息的功能，相较于半双工方式能够提高通信传输效率。
天线选择技术作为双向多天线节点系统中重要的传输技术，具有较低的计算复杂度和设计成本，通常从多根天线中选择一根信道条件最好的天线，选取准则以最大化系统传输性能或安全性能为主。如文献[8]中，双向全双工中继协作通信系统中，通过对多天线双信源的四种天线选择方法，每个方法均不同程度的提升了系统的传输性能，但整个系统没有考虑到安全问题，如果遇到窃听者，其安全性能将会受到极大挑战。
但现有研究很少将两种技术相结合，通常单方面使用双向中继协作通信技术或者天线选择技术，尤其是天线选择技术，鲜有使用，这些都只能有限提升系统的安全性能。而传统的双向中继协作通信技术为提高系统安全性能，往往会发送人工噪声干扰窃听者，通常采用预编码方法，如文献[7]中，多天线双信源通过发射人工噪声去干扰多天线非可信中继，虽然增加了系统的平均安全速率，但与天线选择方法相比，系统复杂度高，操作繁琐；传统天线技术诸如波束成形技术，如文献[6]中的多天线双向非可信中继系统中，中继采用波束成形技术，通过优化波束成形矩阵最大化系统安全速率，虽然能改善系统性能，但相较于天线选择方法，要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗，这些缺陷都对提升通信系统的性能带来了挑战。
附录文献：
[1]Wyner A D.The wire-tap channel[J].The bell system technical journal,1975,54(8):1355-1387.
[2]Dong L,Han Z,Petropulu A P,et al.Improving wireless physical layer security via cooperating relays[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(3):1875-1888.
[3]Laneman J N,Tse D N C,Wornell G W.Cooperative diversity in wireless networks:Efficient protocols and outage behavior[J].IEEE Transactions on Information theory,2004,50(12):3062-3080.
[4]Hang Long,Wei Xiang,Yueying Zhang,et al.Cooperative jamming and power allocation in three-phase two-way relaying wiretap systems[J].IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2013.
[5]Yunchuan Yang,Hui Zhao,Cong Sun,et al.Iterative algorithm for secrecy guarantee with null space beamforming in two-way relay networks[J].IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2013.
[6]Jianhua Mo,Meixia Tao,Yuan Liu,et al.Secure beamforming for MIMO two-way transmission with an untrusted relay[J].IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2013.Quanzhong Li,Liang Yang.Artificial Noise Aided Secure Precoding for MIMO Untrusted Two-Way Relay Systems with Perfect and Imperfect Channel State Information[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2018,13(10):2628-2638.
[7]Efendi F,Oguz Kucur.Performance of transceiver antenna selection in two way full-duplex relay networks over Rayleigh fading channels[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2018(Accepted).
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，设计了一种综合考虑窃听者的统计信道状态信息(CSI)的天线选择准则，最大化中继接收信噪比和用户的接收信噪比，并弱化窃听者的接收信干噪比，分析不同用户和中继天线数的设置对系统安全性能的影响，从而提升系统安全传输性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：
一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，所述用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，信息的传输在一个时隙内完成，具体包括：
获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j；其中，i＝1,...,NA，NA表示用户A的天线数；n＝1,...,NB，NB表示用户B的天线数；j＝1,...,NR，NR表示中继的天线数；
获取用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k；其中，p＝1,...,NA-1；m＝1,...,NB-1；k＝1,...,NR-1；
基于所述用户A的发送天线i和接收天线p、用户B的发送天线n和接收天线m及中继的接收天线j和发送天线k，获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比；
基于所述用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量。
优选的，所述获取用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j，包括：
基于已知的用户到窃听者链路及用户到中继链路的平均CSI，以最大化用户和中继接收信噪比为原则，设计用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j的选择准则，如下：
其中，hAR,i,j表示用户A到中继R的信道参数；gAE,i表示用户A到窃听者E的信道参数；hBR,n,j表示用户B到中继R的信道参数；gBE,n表示用户B到窃听者E的信道参数；E{X}表示对X求均值；
用户A和B将信息广播至中继和窃听端，中继的接收信号的表达式为
其中，表示用户A的发送功率，表示用户B的发送功率，P表示总功率，α为功率分配因子；xA[n]表示中继接收到用户A信号；xB[n]表示中继接收到的用户B信号；nR[n]表示中继上接收的方差为σ2的加性白高斯噪声；由于本文的传输有两跳，中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻。
优选的，所述获取用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k，包括：
设计用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k的选择准则，如下：
其中，hRA,k,p表示中继R到用户A的信道参数；gRE,k表示中继R到窃听者E的信道参数；hRB,k,m表示中继R到用户B的信道参数；
中继将解码后的信息转发至用户A和用户B，用户A的接收信号表达式为：
用户B的接收信号表达式为：
其中PR＝(1-α)P表示中继的发送功率；nA[n]表示用户A接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声；nB[n]表示用户B接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声；xR[n+1]表示用户接收到的来自中继的信号。
优选的，所述获取用户A的接收信噪比、用户B的接收信噪比及窃听者E的接收信干噪比，包括：
中继采用固定解码转发协议，用户A和用户B的接收信噪比表达式如下：
窃听者的接收信号表达式为
其中，xA[n]表示窃听者接收到的用户A信号，xB[n]表示窃听者接收到的用户B信号，xR[n+1]表示中继向外广播的信号；nE[n]表示窃听者接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声，向量阶数为NE×1，NE表示窃听者的天线数；
由于窃听者只能窃听到由信源发射的信息，中继解码转发的信息对于窃听者而言为干扰信号，则窃听者的接收信干噪比可表示为
优选的，所述获取所述全双工MIMO中继系统的瞬时安全容量，包括：
所述瞬时安全容量的表达式如下：
CS＝[CA+CB-CE]+
＝[log2(1+γA)+log2(1+γB)-log2(1+γE)]+
其中，窃听信道的信道容量CE＝log2(1+γE)，合法信道的信道容量CA＝log2(1+γA),CB＝log2(1+γB)；[x]+＝max{0,x}。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将全双工多天线双向中继协作通信技术与天线选择方法相结合，选择能使系统安全容量获得最大值的最优发送和接收天线，增大合法信道的信道容量，在优化双向中继接收信噪比和用户的接收信噪比的同时，兼顾到弱化窃听者的接收信干噪比，有效提升了整个系统的安全容量；本发明对用户和中继不同天线数对系统安全性能影响的分析表明，只需适当增加用户和中继的天线数就能很好的提升系统的安全性能；
(2)本发明的用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线，从而使系统的安全性能有显著提升；
(3)现有的波束成形技术，虽然能改善系统性能，但要求系统具有很强的信号处理能力，会大大增加设备使用成本和功耗；而传统最优预编码方法，计算复杂度高，操作繁琐；本发明复杂度低，便于操作，而且无需获知窃听信道的瞬时CSI，只需要窃听信道的统计CSI。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明的系统结构模型图；
图2为本发明的天线选择方法与其它天线选择方法的安全容量性能对比图；
图3为本发明的天线选择方法设置不同信源和中继天线数对系统安全性能影响对比图。
具体实施方式
参见图1所示，本发明提出一种双向全双工MIMO中继天线选择安全传输方法，所述全双工MIMO中继系统包括用户A、用户B、中继和窃听者，所述用户A、用户B、中继R和窃听者E均配置多天线(节点A、B、R和E的天线数分别为NA、NB、NR和NE)，信息的传输在一个时隙内完成。用户A和用户B针对中继和窃听者采用发送天线选择技术，中继针对用户A、用户B和窃听者采用收发天线选择技术(图1中的箭头指向外的天线表示所选择的发送天线，箭头指向内的天线表示所选择的接收天线)，系统中各个信道建模考虑准静态平坦的瑞利衰落信道，所有信道相互独立，A到R，R到B，B到R，R到A，A到E，B到E，R到E的信道参数分别表示为其中，i(i＝1,...,NA)，k(k＝1,...,NR-1)，n(n＝1,...,NB)分别表示用户A、中继和用户B上发送天线的编号，而p(p＝1,...,NA-1)，j(j＝1,...,NR)，m(m＝1,...,NB-1)分别表示用户A、中继和用户B上接收天线的编号。中继通过导频信号进行信道估计，并将估计出的CSI反馈给用户A和用户B，以便于各节点进行天线选择。假设用户和中继仅获知窃听节点的统计CSI，即平均CSI。
步骤1：设总功率为P，用户A发送信息的功率为用户B发送信息的功率为中继发送功率为PR＝(1-α)P，其中α为功率分配因子，且0<α<1。假设两用户和中继分别已知A到E链路、B到E链路以及R到E链路的平均信道状态信息，天线选择准则需要考虑到在最大化中继和用户接收信噪比的同时，又能尽量减小窃听者的接收信干噪比，用户A的发送天线i、用户B的发送天线n和中继的接收天线j的选择准则设计为：
其中，E{X}表示对X求均值。
用户A和B将信息广播至中继和窃听端，中继的接收信号的表达式为
其中，PA为用户A的发送功率，PB为用户B的发送功率，xA[n]为中继接收到用户A信号，xB[n]为中继接收到的用户B信号，nR[n]表示中继上接收的方差为σ2的加性白高斯噪声，因为本文的传输有两跳，中继在解码转发信息的时候会产生一定的时延，n表示当前时刻。
步骤2：根据用户A、用户B和中继的天线分布，用户A的接收天线p、用户B的接收天线m和中继的发送天线k的选择准则设计为：
中继将解码后的信息转发至用户A和B，用户A接收信号表达式为：
用户B接收信号表达式为：
其中，PR为中继的发送功率，nA[n]表示用户A接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声，nB[n]表示用户B接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声，xR[n+1]为用户接收到的来自中继的信号，由于中继解码转发需要时间，故用户A和用户B接收到的中继发来的信息存在延时。
由于中继采用固定解码转发协议，所以用户A和用户B的接收信噪比可表示为：
窃听者的接收信号表达式为：
其中，xA[n]为窃听者接收到的用户A信号，xB[n]为窃听者接收到的用户B信号，xR[n+1]表示窃听者接收到的来自中继的信号，由于中继解码转发需要时间，故窃听者接收到的中继发出的信息存在延时，nE[n]表示窃听者接收到的方差为σ2的加性白高斯噪声，向量阶数为NE×1。
由于窃听者只能窃听到由信源(用户A和用户B)发射的信息，中继解码转发的信息对于窃听者而言为干扰信号，则窃听者的接收信干噪比可表示为
步骤3：高斯窃听信道的信道容量表示为合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量之差。针对本文模型，窃听信道的信道容量可表示为CE＝log2(1+γE)，合法信道的信道容量可表示为CA＝log2(1+γA),CB＝log2(1+γB)。系统的瞬时安全容量可以表示为
CS＝[CA+CB-CE]+
＝[log2(1+γA)+log2(1+γB)-log2(1+γE)]+,.
其中[x]+＝max{0,x}。
以下对所述传输系统的安全性能指标进行仿真分析验证，其中仿真次数为一百万次，各个信道平均信道增益均为1，各节点接收噪声方差均归一化。
图2为本发明的天线选择方法与其它方法的安全容量性能对比。本发明的天线选择方法和随机天线选择方法设置NA＝NR＝NE＝NB分别为3,5,8，而中继半双工方法设置NA＝NR＝NE＝NB＝3，α＝0.5。由图2可知，本发明的天线选择方法和随机天线选择方法的系统安全容量都随着用户发送功率的增加而增加，但本发明的天线选择方法的系统安全容量始终大于随机天线选择方法，突显出本方法的性能优越性。而与传统半双工方法相比，本发明方法的安全吞吐量有更大的提升，传统半双工方法的遍历安全容量随着信源发送功率的增加没有明显变化，由于窃听者的窃听不受任何干扰，遍历安全容量近乎为零。此外，本发明的天线选择方法随着各节点天线数的增加，本发明的天线选择方法的系统安全容量也随之增加，而随机天线选择方法的系统安全容量不发生变化。
图3为本发明的天线选择方法设置不同信源(用户A和用户B)和中继天线数对系统安全性能影响对比。设置NE＝NB＝3,α＝0.5，NA，NR的设置情况如图示所示。由图可知，随着NA，NB，NR的增加，系统的安全容量随之增加。因此在系统设计时适当提高用户和中继的天线数能够很有效的提升整个系统的安全性能。
需要说明的是，本发明中涉及的信干噪比表示有用信号与噪声信号和干扰信号的比值，简称接收信干噪比，窃听者因为会收到干扰信号，故为接收信干噪比，而用户A、用户B中继因为不存在干扰信号，故为接收信噪比。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。