基于协同干扰策略的非正交多址通信系统的安全传输方法

1.本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及直传和中继协作传输和非正交多址接入技术的无线通信网络安全传输方案。


背景技术：

2.随着物联网和无线通信技术的飞速发展，在数据速率、时延、频谱效率、通信覆盖率以及海量设备连接等方面对无线通信系统提出了更高的要求。非正交多址接入作为一种极具潜力的技术，极大地缓解了由稀缺的频谱资源和海量设备接入所带来无线通信系统的压力，本发明特指功率域非正交多址接入，下文不再赘述。直传和中继协作传输技术不仅提高了网络的覆盖范围，在不影响系统的性能前提下，还充分利用先验信息删除不可信中继转发链路对近用户的干扰，实现通信链路并行传输的目的，进一步提高频谱效率。物理层安全是在信息论的基础上发展而来的一种信息加密技术，是区别于密码学等传统加密手段的一种补充技术，具体来说增加主信道和窃听信道的容量差来达到安全传输目的，在理论上来说是可以实现信息传输的绝对安全。
3.如附图1所示，考虑存在一个近用户和一个远用户构成一对非正交多址用户的下行非正交多址通信模型。图中un和uf分别为近用户和远用户。基站s采用叠加编码，原理是：把两个用户的信号以不同功率叠加发送。由于un为近用户，信道条件优于远用户uf，为其分配的功率小于远用户uf，解码时执行串行干扰消除，先将un的信号视为干扰，解码uf的信号，从叠加信号中删除uf的信号，再解出自己的信号。uf为非正交多址接入系统中的弱用户，解码时将un的信号视为干扰，解码自己的信号。非正交多址接入技术在发送端采用了叠加编码，将信道条件弱的用户信息以低码率叠加到信道条件强的用户信息上，实现多用户信息叠加传输。在接收端上利用串行干扰消除技术消除同信道干扰，提高解码信噪比。
4.直传和中继协作传输技术和非正交多址结合，不仅提高了通信系统的覆盖范围，还充分利用先验信息删除干扰，实现通信链路并行传输，进一步提高频谱效率。如附图2所示，该系统由一个基站s、一个近用户un、一个远用户uf和一个不可信中继节点组成。具体流程：第一时隙基站广播下行非正交多址接入信号，un基于串行干扰消除先解码uf的信号，移除后再解码自己的信号，不可信中继以远用户形式解码目的信号x2；第二时隙不可信中继转发远用户信号，基站发送新信号给近用户，此时近用户已经解码过了远用户信号，不受不可信中继转发干扰；且远用户接受不到基站的新信号干扰，实现通信链路并行。该系统表述为无线蜂窝网络中存在一对由基站直接提供服务的近用户和一个需要不可信中继辅助与基站通信的远用户，利用近用户在第一时隙获取的先验信息，可以删除来自不可信中继转发所带来的干扰，达到互不干扰的并行传输目的。
5.物理层安全是基于无线信道的随机性和时变性等复杂的时空特性，利用信号处理技术来实现信息的安全传输。当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时，在合法用户的收发两端进行信息传输时，一定存在一种编码方式可以实现传输信息错误的概率任意小，窃听者得不到全部的有用信息，从而达到安全传输的目的。在物理层安全研究中，能否
获取到窃听节点的信道状态信息对系统的安全性能有着重大的影响。一般来说，源节点拥有窃听节点的信道状态信息的场景称之为主动窃听，否则称之为被动窃听。在主动窃听场景下，源节点可以基于窃听节点的信道状态信息动态调整发送策略，获得一个相对安全的通信场景。
6.在窃听信道中，由于窃听节点的存在，需同时保证信息传输的可靠性与安全性。此时，系统的信息传输速率存在上限，该系统最大的信息传输速率即为安全速率，其数学表达式如下：
[0007][0008]
其中[x]
+
＝max(0,x)，cb和ce分别代表主链路和窃听链路的信道容量，γb和γe分别为主链路和窃听链路的信噪比。物理层安全研究领域常用的性能指标有遍历安全速率和安全中断概率等。其中遍历安全速率定义为：
[0009][0010]
其中，为求期望运算符，f(γb,γe)表示目的节点和窃听节点信噪比的联合概率密度函数，遍历安全速率表征为系统安全速率的统计平均值。
[0011]
将非正交多址接入、直传和中继协作传输技术和物理层安全理论相结合，共同设计通信系统；既实现了高速率、海量连接和高频谱效率的优势，又引入安全性能考虑，将在现代化通信领域展现出巨大的应用前景。


技术实现要素：

[0012]
针对直传和中继协作传输的非正交多址接入系统，在追求更高的系统频谱效率的同时，可能会出现更加严重的信息泄露的情况。本发明在基于物理层网络编码设计通信链路，提高系统频谱效率的同时，利用协同干扰策略，在不增加专用的干扰终端利用用户发送人工噪声抑制窃听节点的解码能力的安全传输方案，确保系统实现高频谱效率的同时实现安全传输。
[0013]
鉴于此，本发明采用的技术方案是：基于协同干扰策略的非正交多址通信系统的安全传输方法，包括三个时隙，具体步骤如下：
[0014]
步骤s1：第一时隙，基于下行非正交多址接入协议，基站s通过叠加编码技术将近用户的目的信号x1和远用户的目的信号x2叠加后广播；同时利用远用户uf发送第一时隙下的友好干扰信号z1去抑制窃听节点即不可信中继；近用户un基于串行干扰消除技术解码x2后移除，再无干扰的解码x1；不可信中继基于并行干扰消除技术来窃听用户的目的信号x1和x2；
[0015]
步骤s2：第二时隙，基于上行非正交多址接入协议，近用户un发送基站的第一目的信号x3和第二时隙下的干扰信号z2的叠加信号，远用户uf发送基站的第二目的信号x4；基站移除干扰信号z2后解码x3，不可信中继基于并行干扰消除技术来窃听基站的目的信号x3和x4；
[0016]
步骤s3：第三时隙，不可信中继r将收到的所有信号放大后转发出去，近用户un发
送x3和基站第三目的信号x5的叠加信号，基站基于串行干扰消除技术先解码由近用户发送的信号x5再解码由不可信中继转发的信号x4。
[0017]
本发明的有益效果主要是：提出一种融合直传和中继协作传输、非正交多址接入、网络编码和物理层安全这四个技术的一种新型非正交多址接入安全传输方法，保证系统高频谱特性的同时利用协同干扰策略降低机密信息被窃听的概率，利用不可信中继半双工屏蔽效应保证系统一个正的遍历安全速率(x5)，实现安全传输。
[0018]
本发明的有益效果具体来自以下三个方面：
[0019]
(1)采用非正交多址接入和网络编码提高频谱效率。为了缓解频谱资源的紧张，充分利用非正交多址接入技术在同一资源块同时传输多个用户信息；利用物理层网络编码节约通信时隙，提高系统吞吐量。附图5中的蒙特卡洛仿真结果表明：本发明相比未采用网络编码的基准方案1，可以显著增强系统安全性能。
[0020]
(2)采用协同干扰和用户间干扰策略。利用用户间干扰策略和友好干扰信号提高系统安全性能，降低了信息被窃听的概率。值得注意的是，利用叠加编码和空闲用户去发送干扰信号而不需要设置专用干扰终端，附图6证明了本发明提出的协同干扰策略，与传统的不可信中继转发策略相比增强了系统的安全性能。
[0021]
(3)权衡系统的安全性和可靠性。第二时隙的干扰信号一方面去抑制窃听端的解码质量，另一方面由于分割了有用信号的功率会造成通信可靠性下降。因此权衡系统的安全性和有效性是很有必要的。附图7证明了本发明提出的权衡系统的安全性和可靠性，随着功率分配系数的增加，系统整体的安全性能出现先增加后减小的情况，即存在一个最优功率分配系数使得系统的安全性能最优。
附图说明
[0022]
图1为下行非正交多址系统；
[0023]
图2为直传和中继协作传输-非正交多址接入系统模型；
[0024]
图3为直传和中继协作传输-非正交多址接入-物理层网络编码系统模型；
[0025]
图4为遍历安全和速率的精确解和下界；
[0026]
图5为功率分配系数as对遍历安全和速率的影响；
[0027]
图6为功率分配系数对遍历安全和速率的影响；
[0028]
图7为最优功率分配系数
[0029]
图8为直传和中继协作传输-非正交多址接入-物理层网络编码传输的整体实施流程。
具体实施方式
[0030]
如图3所示，本发明考虑基于物理层网络编码的共同设计上行和下行的非正交多址混合通信网络，包含一个基站s作为源节点、一个近用户un、一个远用户uf和一个执行放大转发策略的不可信的不可信中继节点r。所谓不可信的不可信中继，表述为该节点在服务层面可信而在数据层面不可信。(如果不可信中继节点r采用解码转发策略，实质上该机密信息已经被解码，那么出于安全考虑就不切实际了)假设在该通信系统中，由于障碍物的遮挡和严重的衰落，s和uf不存在直传链路，需要借助不可信中继节点r辅助与基站通信。在节点
i和节点j之间的信道系数、信道增益和平均信道功率表示为h
ij
、|h
ij
|2和λ
ij
，其中i,j∈(s,un,uf,r)且i≠j。所有信道设置为独立同分布的瑞利衰落信道，且满足h
ij
＝h
ji
；h
ji
表示节点j和节点i之间的信道系数。假设且λ
sr
，和分别表示为基站与不可信中继、基站与近用户、近用户与不可信中继和近用户与远用户之间的平均信道功率。不可信中继和用户的发送功率均设置为pu，基站的发送功率设置为ps，信号的功率设置为归一化功率。每个传输时隙都是相等且连续的。
[0031]
如图8所示，直传和中继协作传输-非正交多址接入-物理层网络编码传输的整体实施流程，主要分为三个时隙，第一时隙主要包括：基站s发送叠加信号，远用户发送干扰信号，近用户和不可信中继接收并解码目的信号；第二时隙近用户和远用户发送上行非正交多址接入信号，基站和不可信中继解码目的信号；第三时隙不可信中继转发前两个时隙接收的信号，近用户发送上行新信号，基站和远用户解码目的信号。具体包括以下步骤：
[0032]
本发明实施例基于网络编码技术和物理层安全技术，利用物理层网络编码提高系统的频谱效率的同时，采用协同干扰策略在不增加专用的干扰端，利用用户发送人工噪声抑制窃听节点的解码能力的安全传输策略，核心在于利用协同干扰方案增加合法端和窃听端的信道容量差。具体步骤如下：
[0033]
步骤s1：通过发送导频序列，估计通信网络内的信道状态信息，(参考文献[1]：l.lv,h.jiang,z.g.ding,l.yang,j.chen.secrecy-enhancing design for cooperative downlink and uplink noma with an untrusted relay[j].ieee transactions on communications,2020,68(3):1698-1715.)具体为基站与不可信中继链路和不可信中继和用户之间链路的信道状态信息。
[0034]
步骤s2：第一时隙，基于下行非正交多址接入协议，基站s通过叠加编码将近用户的目的信号x1和远用户的目的信号x2叠加后广播，表示为其中as为信号x1的功率分配系数，且基站的发送功率为ps。为了抑制不可信中继节点，利用远用户uf作为干扰端发送第一时隙下的友好干扰信号z1，该友好干扰信号可以是一个高斯伪随机序列，或利用与期望信号结构类似的确定性波形。(参考文献[2]：z.rongqing,s.lingyang,h.zhu,j.bingli.physical layer security for two-way untrusted relaying with friendly jammers[j].ieee transactions on vehicular technology,2012,61(8):3693-3704.)因此该友好干扰信号只影响窃听端接收信噪比。此时目的端的接收信号表达式为：
[0035][0036]
式中，d∈{un,r}，表示为在节点d处的加性高斯白噪声，功率为σ2。h
sd
和分别表示为基站和远用户与节点d之间的信道系数，pu为用户的发送功率，近用户un基于串行干扰消除先解码远用户信号，移除干扰后，解码x1的信噪比表示为其中表示基站与近用户之间的信道系数。此时不可信中继作为潜在的窃听节点基于并行干扰消除来解码机密信号，解码信噪比分别表示为
其中h
sr
和分别表示基站和远用户与r之间的信道系数。
[0037]
步骤s3：第二时隙，基于上行非正交多址接入协议，近用户un发送基站的目的信号x3和第二时隙下的干扰信号z2的叠加信号，表示为其中为信号x3的功率分配系数，且同时远用户uf发送基站的目的信号x4(此时的信号x4是不同于x3的，发送端不同且信号内容也不同)。此时基站s和不可信中继r的接收信号表示为
[0038][0039][0040]
其中和分别表示为在第二时隙下基站处和不可信中继处的加性高斯白噪声，和分别表示基站和不可信中继与近用户之间的信道系数。相似于步骤s2，对应的解码信噪比：基站解码目的信号x3的解码信噪比表示为不可信中继的解码信噪比为和其中和分别表示近用户和远用户与不可信中继之间的信道系数。
[0041]
步骤s4：第三时隙，利用网络编码和非正交多址接入协议共同设计转发和协作链路，提高系统的频谱效率。此时不可信中继r将第一时隙和第二时隙收到的所有信号在放大后转发出去，放大系数表示为其中λ
sr
，和分别表示基站与不可信中继、不可信中继与远用户和不可信中继与近用户之间的平均信道功率；(参考文献[3]：l.lv,z.li,h.ding,j.chen.secure noma and oma coordinated transmission schemes in untrusted relay networks[j].science china information sciences,2021,64(10).)近用户un发送新信号x5和x3的叠加信号，表述为(参考文献[4]：h.w.liu,z.g.ding,k.j.kim,k.s.kwak,h.v.poor.decode-and-forward relaying for cooperative noma systems with direct links[j].ieee transactions on wireless communications,2018,17(12):8077-8093.)其中为信号x3的功率分配系数，且针对于半双工不可信中继，信号x5无法被窃听，完美安全。传输x3的目的在于线性抵消远用户uf收到的不可信中继转发信号的干扰。对应的接收信号表达式为：
[0042][0043][0044]
式中和表示为不可信中继在前二个时隙的接收信号表达式，和表示为不可信中继在前二个时隙的加性高斯白噪声，和表示基站和远用户在第三时隙下的加性高斯白噪声；式中步骤a和步骤b表示目的端消除已知或者解码过的信号，ω0表示远用户uf和信号x3有关的整体表达式，表示为基站s基于串行干扰消除技术来解码目的信号，解码顺序为x5→
x4，对应的解码信噪比表示为
[0045]
为了移除信号x3对远用户uf的干扰，需满足ω0＝0，产生的约束为为了确定抵消的可行性，对约束求期望结果为：
[0046]
[0047]
值得注意的是，并不一定能保证为了满足功率约束，我们设置此时远用户为了获得更佳的性能，解码顺序为x5→
x2，对应的信噪比为
[0048][0049]
步骤s5：相对近用户，远用户受到窃听节点的攻击可能性更大。为了增强远用户的性能，移除x3对远用户uf的干扰，需要满足其中g表示不可信中继的放大系数，表示不可信中继和远用户的信道系数，表示不可信中继和近用户的信道系数，表示近用户与远用户之间的信道系数，表示第二时隙近用户分配给x3的功率分配系数，pu表示用户的发送功率，表示第三时隙近用户分配给x3的功率分配系数，ω0表示远用户uf和信号x3有关的整体表达式，只有当整体表达式值为零，才能保证x3对远用户uf不产生干扰。与此同时远用户在解码自身的目的信号x2之前先解码x5并移除以获得更佳的性能。
[0050]
步骤s6：确定信号xj,j∈(1,2,3,4,5)瞬时安全速率表示为其中分别表示信号xj的合法端和窃听端的信噪比。
[0051]
步骤s7：确定两个基准方案验证提出本发明的优越性能。基准方案一不采用物理层网络编码去共同设计上下行链路，分为四个时隙传输5个信号；基准方案二不采用协同干扰策略。
[0052]
下面分析本发明实施例系统的安全性能。系统的遍历安全和速率表示为
[0053][0054]
式中，表示为信号xj的遍历安全速率，利用jensen不等式，遍历安全和速率的下界表示为基于概率论，遍历速率表示为式中f
γ
(x)和f
γ
(x)表示为信噪比γ的累计分布函数和概率密度函数。
[0055]
根据遍历速率的定义和一系列的数学推导，该系统的遍历安全和速率表示为
[0056][0057]
式中，φ2(x,y)＝φ1(x)-φ1(y)，(y)，
[0058]
c＝0.577215为欧拉常数。
[0059]
定义函数：
[0060][0061]
如图4，遍历安全和速率的精确解和下界之间的近似差距。从图中可以看出遍历安全和速率的精确解和下界之间的近似差距是极小的，这表明利用下界去近似精确解是合理且可行的。
[0062]
如图5，功率分配系数as对遍历安全和速率的影响。从图中可以看出随着as的增加，系统整体的安全速率增加，这是由于近用户基于串行干扰消除获得更佳的性能，而远用户由于用户间干扰和信道条件差，性能受限，此时近用户的安全速率增加的速率是远大于远用户减小的速率的，因此整体系统的安全性能提高。
[0063]
如图6，功率分配系数对遍历安全和速率的影响。从图中可以看出随着的增加，系统整体的安全速率先增加后减小的，即存在一个最优的使得整体系统的安全性能增大。这是随着的增加，信号x3的合法端容量和窃听端容量同步增加，当窃听端容量的增加速率已经超过合法端增加的速率了，导致系统的安全性能出现下降的情况。
[0064]
如图7：最优功率分配系数这是由于干扰信号一方面提高了系统的安全性能，另一方面则降低有用信号的发送功率，系统的可靠性降低。图7表明存在一个最优的来权衡系统的安全性和可靠性。