5g通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线通信系统的安全传输方法，尤其涉及一种针对时分双工模式 下的5G上行单输入多输出（snro)无线通信系统的安全传输方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信技术在为人们的日常生产、生活带来便利的同时，也不可避免地因其物 理传输的无界性，给通信双方带来了通信内容易于失窃的困扰。随着无线通信技术发展程 度和普及程度的日益加深，通信的安全问题也愈加被重视起来。采用何种手段来有效防范 信息的泄漏、确保信息的安全传输将成为一项长期的焦点性研究课题。
[0003] 作为5G无线通信中一项最具前景的关键技术，大规模多输入多输出（Massive Multiple-InputMultiple-Output，MassiveMIM0)技术已受到来自学术界和工业界越来 越广泛的关注。在此技术背景下，5G系统基站端得以配置大规模天线阵，从而5G下行通信 的物理层安全传输可以得到有效保障，相关研究成果也在近五年内大量涌现。然而，由于用 户端有限的发射功率和传输天线数，罕有文献能够给出有效的技术手段来保证5G上行传 输的安全性。
[0004] 现有的无线物理层安全传输技术大致有密钥技术和多天线技术两大类。密钥 技术方面，在2012年8月IEEETransactionsonInformationTheory上发表的题为 ((Feedback-basedcollaborativesecrecyencodingoverbinarysymmetricchannels)) 的文献中，提出了一种基于密钥反馈的系统安全性能增强策略。尽管这一策略利用了目的 端反馈到源端的密钥，并有效保证了源端保密信号传输的安全性，但只能服务于单天线节 点组成的通信系统，且仅能为系统带来有限的安全性能提升。在多天线技术大类中，人工 噪声辅助的防窃听技术又是一个较为重要的分支。在2010年10月IEEETransactions onVehicularTechnology上发表的题为〈〈Securetransmissionwithartificialnoise overfadingchannels:Achievablerateandoptimalpowerallocation》的文献中，提 出了一种基于人工噪声最优功率注入的系统安全传输策略。尽管这一策略在完成保密信号 和人工噪声信号之间最优功率配比的基础上，可以实现对系统可达安全速率的最大化，但 是不能服务于由单天线源端和多天线目的端组成的snro无线通信系统。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对时分双工模式下的5G上行单输入多输出（S頂0)无线通信 系统，提出一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，以解决现有无线物 理层安全传输技术无法直接适用于5G上行通信系统，或者只能带来有限安全性能增益的 问题。
[0006] 为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：
[0007] -种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，所述5G通信系统包 含有一个单天线用户节点Alice，一个M根天线基站节点Bob，以及一个单天线无源窃听节 点Eve;所述5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法包括以下步骤：
[0008] 步骤1，单天线用户节点Alice向基站节点Bob发送包含有反馈信号发射请求信 息和导频序列信息的混合信息；基站节点Bob利用导频序列信息估计出从单天线用户节点 Alice到基站节点Bob的M维列向量信道信息；
[0009] 步骤2,基站节点Bob利用估计出的小尺度信道信息hAB，设计出安全传输第一阶段 的M维反馈信号矢量为
其中0e(〇, 1)为预先设定的人工 干扰反馈信号和人工噪声反馈信号之间的功率分配因子，PB为基站节点Bob的信号发射功 率，W=h: /|h4s||表示下行反馈链路最大比发射的波束形成权值矢量，z为分布满足零均 值单位方差的随机复高斯AI信号，表示基站节点Bob到单天线用户节点Alice 小尺度信道的零空间矩阵且=I，为M-1维随机AN信号列矢量，矢量 的每个随机元素均相互独立地服从均值为〇方差为1的复高斯分布；
[0010] 步骤3,单天线用户节点Alice和窃听节点Eve分别完成对基站节点Bob 反馈信号的接收：单天线用户节点Alice在安全传输第一阶段接收到的信号为
其中r代表单天线用户节点A1ice与窃听节点Eve之间 的距离，a表示无线信道大尺度衰落的路径衰减因子，a多2叫为单天线用户节 点Alice处的接收噪声；对应地，窃听节点Eve在安全传输第一阶段接收到的信号为
其中:rBE表示基站节点Bob到窃听节 点Eve之间的距离，gieCM1代表窃听节点Eve到基站节点Bob之间的小尺度衰落信道， 七!为窃听节点Eve处的接收噪声；
[0011] 步骤4,在安全传输的第二阶段，单天线用户节点Alice设计并广播信号
这里nG(〇, 1)表示保密信号s与归一化 干扰信号之间的功率分配因子，PA代表单天线用户节点Alice端信号发射功率，为随机 噪声1^的方差；
[0012] 步骤5,基站节点Bob和窃听节点Eve分别完成对单天线用户节点Alice 广播信号的接收：基站节点Bob在安全传输第二阶段接收到的矢量混合信号为
>其中nB表示基站节点 Bob处的接收噪声；相应地，窃听节点Eve在安全传输第二阶段接收到的标量混合信号为
，其中rAE代表单天线用户 节点Alice和窃听节点Eve之间的距离，g」￡.eCul表示单天线用户节点Alice和窃听节点 Eve之间的小尺度衰落信道，/?;.为窃听节点Eve在安全传输第二阶段的接收噪声。
[0013] 当进行到下一保密信号的传输阶段时，自动重复步骤1到步骤5中的过程。
[0014] -种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，包括以下步骤：
[0015] 首先，在安全传输的第一阶段，多天线基站端利用波束形成技术同时在下行链路 上发送人工干扰和人工噪声信号；
[0016] 然后，单天线用户端完成对基站端发射信号的接收，并将接收到的信号加扰到待 发的保密信号上以形成混合发射信号；
[0017] 其次，在安全传输的第二阶段，单天线用户端广播这一混合发射信号；
[0018] 最后，上行多天线通信基站端完成对混合发射信号的接收，多天线通信基站利用 最大似然检测方法，从混合发射信号中准确地估计出保密信号。
[0019] 与现有技术中已有物理层安全传输方案相比，本发明的优点在于：
[0020] 1、本发明在安全传输方案设计上，同时考虑并利用到了无线信道的大尺度和小尺 度衰落信息。
[0021] 2、在保密信息安全传输保障上，本发明仅利用到了目的端随机信号的反馈。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，降低了系统的资源消耗。
[0022] 3、在反馈信号的使用上，本发明所设计方案仅在保密信号传输的第二阶段，对在 第一阶段接收到的包含有反馈随机信号的混合信号，进行无差别化的能量归一化处理。本 发明在保证系统安全性能的同时，没有附加其它硬件和功率损耗。
[0023] 4、本发明利用到了目的端的多天线优势，与常规的基于单天线目的端密钥反馈的 安全传输方案相比，能够有效增强系统安全性能。
[0024] 5、在目的端天线阵使用上，本发明设计使用了人工干扰波束形成和人工噪声注入 这一联合技术，充分地利用了目的端的发射自由度。
[0025] 6、两阶段传输功率配置方面，本发明在最差安全传输场景下，以最大化系统各态 历经安全速率为目标，分别完成了在人工干扰信号和人工噪声信号，以及在保密信号和归 一化混合信号之间的最优功率分配操作。与等功率分配操作相比，本发明的两阶段最优功 率分配操作有效提高了系统的安全性能。
[0026] 本发明考虑到无线通信系统工作在时分双工（TimeDivisionDuplex，TDD)模式 下，系统在信道信息的获取上运用了信道的互易性；此外，为衡量节点间相对距离对系统安 全性能的影响，无线衰落信道的大尺度增益与小尺度增益同时被考虑到了建模分析中。
[0027] 本发明的步骤1到5中，每一轮保密信息传输的安全性均需要两个阶段的信号传 输过程来保障。
[0028] 本发明步骤2中，人工噪声和人工干扰的作用分别为：在保密信号安全传输的第 一阶段，人工噪声信号被Bob用来保护人工干扰信号不被Eve完整地窃听到；在安全传输的 第二阶段，由于Alice在第一阶段接收到的信号中不包含人工噪声信号，人工干扰信号则 被Alice用来尽可能地弱化Eve对保密信号的窃听能力。
[0029] 以下结合附图及【具体实施方式】对本发明做进一步的详细说明。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明所设计5G无线通信系统中基于下行反馈辅助的上行两阶段安全传 输方法示意图；其中图1(A)为两阶段传输的第一阶段，也即反馈阶段；图1(B)为两阶段传 输的第二阶段，也即保密信息传输的前向阶段。图中的单天线用户A表示单根天线源节点 Alice，M天线基站B表示M(M彡3)根天线期望目的节点Bob，单天线窃听者E表示单根天 线无源窃听节点Eve。
[0031] 图2为不同功率分配策略下的系统各态历经可达安全速率和最差安全传输场景 系统各态历经可达安全速率的仿真曲线对比图。
[0032] 图3为最差安全传输场景中，不同功率分配设定下的系统安全中断概率仿真曲 线、系统安全中断概率高信噪比近似仿真曲线、系统安全中断概率高信噪比近似理论曲线 对比图。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图1所示实施例，对本发明所设计方案的【具体实施方式】进行详细说 明。
[0034] 本发明一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，包括以下步 骤：
[0035] 步骤1，在两阶段传输开启之前，单天线用户节点Alice(图中单天线用户A)首先 向基站节点Bob(图中M天线基站B)发送包含有反馈信号发射请求信息和导频序列信息的 混合信息。基站节点Bob利用预共享的