一种已知窃听端信道信息的多中继物理层安全方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种已知窃听端信道信息的多中继物理层安全方法，该方法属于无 线通信、信号处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 安全问题和隐私问题长久以来都是通信研宄的热门话题，尤其是对于无线通信网 络而言，因为无线媒介有着公共接入特性，信息的安全传输更加难以保障。纵观对于安全和 隐私问题的所有要求，保密性是重中之重。传统上可以通过在应用层进行加密的办法来实 现保密性。由于网络拓扑结构的动态变化，以及公共设施和密钥分布的缺乏，人们格外渴望 和需求能够在物理层上保证安全的无线通信，这在近几十年内也是一个一直研宄的话题。 最初的窃密信道模型是在1975年由Wyner提出，并且从信息论角度进行了研宄。随后广播 信道、高斯窃密信道以及多用户的无线通信安全问题都得到了相应的研宄。
[0003] 对于窃密信道而言，最大的可达保密容量通常是由信道实现来决定的，并且当源 节点和窃听者之间的信道要好于源节点与目的节点之间的信道时，保密容量将趋近于零。 研宄表明采用多天线技术可以克服这个限制。但是，考虑到尺寸、造价以及复杂度等限制 因素，实际的网络节点安装多天线不太现实。但是通过中继节点之间的协作可以形成虚拟 MMO,进而可以继续利用多天线的优势。研宄表明，中继节点不仅可以转发加密信息，还可 以发送协作的干扰信号，这样可以进一步提高保密容量。同时，协作中继节点是否可靠也是 影响物理层安全的一个因素。
[0004] 在本发明中，我们考虑窃听端是TDMA多跳多广播网络中的一个中继节点，窃听端 服务于同一个源节点但是不同的接收端，在其他信息传输时，窃听端保持沉默不参与工作， 但是窃听端的信道信息是已知的。联合波束成形与人工干扰的技术，可以在保证系统最大 自由度的情况下，最大化系统的安全容量。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种已知窃听端信道信息的情况下利用波束成形和人工噪声的物 理层安全方法。通过把中继群分为中继转发群组和干扰群组，在信号由源节点发送到中继 转发群组的时候干扰群组发送噪声干扰窃听端。在中继群组转发信号的时候，由于已知窃 听端的CSI，利用波束成形直接避免信号发送到窃听端，在保证系统自由度最大的前提下， 最大化系统的安全容量。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种已知窃听端信道信息的多中继物理层安全方法，该方法基于一个多中继多干 扰的协作网络；在该网络模型中，一个源节点想要与一个目的节点进行通信，两者之间没有 直接链路连接，故需要有一个中继群进行协作转发，同时还存在一个窃听端欲窃取源端发 送的信息；每个节点都配备单天线，并工作在半双工模式；中继群共有M个节点，其中札个 节点用于转发信号，剩下的仏个节点作为干扰节点，发送噪声来干扰窃听端，其中M2可以是 一个或多个；假设窃听端是作为中继群组中的一个节点，但是其接收端是另外一个目的节 点，因此源节点和中继群组直接与窃听端相连，并且已知窃听端的信道信息；
[0008] 该系统的通信过程可以分为两个时隙；在第一个时隙中，源节点发送信息到吣个 中继转发节点，由于无线媒介的多播特性，此时窃听端也可窃听到此信息；因此仏个干扰节 点同时发送加权的广播噪声来干扰窃听者；在第二个时隙中，Mi个中继转发节点通过波束 成形放大转发接收到的信号给目的节点，同时由于窃听端的信道状态信息是已知的，所以 通过波束成形可以避免转发的信号泄露到窃听端；
[0009] 首先在确保系统自由度达到最大的前提下，通过优化中继转发节点群组以及干扰 节点群组的波束成形向量来最大化系统的保密容量；进而再通过计算最优的中继功率分配 方案来最大化系统保密容量；具体步骤如下：
[0010] 步骤一、从M个中继节点中选择札个中继节点作为中继转发节点，剩余的M2个节 点作为干扰节点，进而形成了中继转发群组和干扰节点群组，并通过信道估计得到相应的 信道参数，其中M2的个数可以大于等于1 ;
[0011] 步骤二、设置第一个时隙中干扰群组发送信号的波束成形权值为 w…=[<>f???<『，其中T表示矩阵的转置，设置最优的最大化对窃听端的干扰，最 优解为
[0012] 步骤三、设置第二个时隙中继转发群组的波束权值向量为\'=卜'|^2...、1 /,由于已 知窃听端的信道状态信息，设置向量v在f/Cf的零空间里，可以避免第二时隙中继转发过 程中的信息泄露；其中H表示矩阵的共轭转置，t …f是源节点到中继转发群 组的信道信息，CE=diag(cE)是一个对角矩阵，…心是中继转发群组到窃听 端的信道状态信息；由于第二时隙中没有信息泄露，因此设置干扰群组的波束成形权值为 =丨0丨，干扰发送功率pK= 〇 ;
[0013] 步骤四、设定系统总功率为P，从中分配给源节点功率为Ps，从剩余的功率中分配 e(p-ps)给中继转发群组，剩余的（1-e) (p-ps)功率分配给第一时隙中干扰节点群组发 送功率Pp利用广义瑞利熵，在功率约束的情况下求得最佳的关于0的向量V;
[0014] 步骤五、将最优的w(1)、w(2)和v代入到系统安全容量的函数中，得出一个关于e的 函数Cs=f(0);
[0015] 步骤六、把e设定为从0.01开始，以一定步长依次增加到1，重复步骤四和步骤 五，记录相应的Cs(i) =f(0i)，取其中最大的一个Cs(i)即为最终获得的最大系统保密容 量，对应的0即为中继功率分配方案。
【附图说明】
[0016] 图1 :本发明的系统模型图；
[0017] 图2 :本方法的工作流程图；
[0018] 图3:仿真结果图。
【具体实施方式】
[0019] 基于对物理层安全问题的研宄，本发明提出了一种已知窃听端信道信息的基于多 中继多干扰网络的物理层安全方法。