导频序列信息和接收到的混合信息，估计出从Alice 到Bob的M维列向量信道信息，并执行反馈信息发射的准备工作；
[0036] 步骤2,在完成对主信道信息（Alice到Bob的信道）的估计之后，基站节点Bob完 成反馈信号的传输操作。由于系统工作在时分双工模式且通信信道慢变，基站节点Bob首 先根据Alice和Bob之间信道的互易性，以及所估计出的小尺度信道信息hAB (包含在步骤 1估计出的M维列向量信道信息中），设计出安全传输第一阶段下行反馈链路最大比发射 波束形成权值矢量为w=hk 。其次，设计运算出B〇b到Alice信道的零空间矩阵为 中，这里屯同时满足=I。然后，依据系统各态历经可达安全速率性能最 大化准则，运算得出在安全传输第一阶段，人工干扰（ArtificialInterference，AI)反馈 信号和人工噪声（ArtificialNoise，AN)反馈信号之间的功率分配因子0G(〇，1)为
[0037]
[0038] 其中，P&和P8分别为节点Alice和Bob的发射信噪比。
[0039] 最后，基站节点Bob根据可用的信号发射功率PB，设计并发射M维矢量反馈信号
其中z为分布满足零均值单位方差的随机复高斯AI信号，teC(M_1|X1为M-1维随机AN信号矢量，且矢量的每个随机元素均相互独立地服从均值为0、 方差为1的复高斯分布；
[0040] 步骤3,单天线用户节点Alice和窃听节点Eve(图中单天线窃听者E)分别完成对 安全传输第一阶段基站端反馈信号的接收。经由相应慢变无线信道的作用，Alice在反馈 信号传输阶段接收到的信号为
[0041 ]
[0042] 其中r代表Alice与Bob之间的距离，a(a彡2)表示无线信道路径衰减因子， ^为Alice处的接收噪声。相应地，Eve在安全传输第一阶段接收到的信号为
[0043]
[0044] 其中rBE表示Bob到Eve之间的距离，：g;碰e:CA/"代表Eve到Bob之间的小尺度衰 落信道矢量，4为Eve在两阶段窃听过程中第一阶段的接收噪声；
[0045] 步骤4,Alice设计并广播包含有保密信号（期望于Bob接收）的混合信号，以开 启两阶段安全传输的第二阶段。在混合信号设计上，Alice首先对其在第一阶段接收到的 信号作能量上的归一化处理。其次，同样依据系统各态历经可达安全速率性能最大化准则， 设计保密信号与归一化信号之间的功率分配因子nG(〇，1)为，
[0046]
[0047] 这里，B= ((M-l)(0)2+(M-2)(l-e)2)PA+(M-l)(e)2pB。最后，单天线用户节点 A1ice依据自身可用的信号发射功率PA，设计并广播混合信号
[0048]
[0049] 其中s表不保密信号，GT〗:为随机噪声]^的方差；
[0050] 步骤5,保密信号期望接收端Bob和窃听节点Eve分别完成对Alice广播的混合信 号的接收。经过相应无线衰落信道的影响，Bob在安全传输第二阶段接收到的矢量信号为
[0051]
[0052] 其中nB表示Bob处的接收噪声。进一步，由于已知自身所发AI信号z，Bob消除 z并对上述矢量信号作最大比合并接收操作，得到接收信号
[0053]
[0054] 相应地，Eve在安全传输第二阶段接收到的信号为
[0055]
[0056] 其中1^代表Alice和Eve之间的距离，:g|e_Gixl表示Alice和Eve之间的小尺度 衰落信道，为Eve在两阶段窃听的第二阶段的接收噪声；
[0057] 步骤6,当进行到下一保密信号的传输阶段时，系统自动重复上述步骤1到步骤5 中的两阶段安全传输过程。
[0058] 上述步骤5中，Bob利用最大似然检测方法，能够从yB中准确地估计出保密信号s。 而另一方面，由于Eve无法获知关于标量AI信号和矢量AN信号的任何先验信息，因而无法 从两阶段接收信号^和％获得关于保密信号s的准确估计，从而有效保障了保密信号传输 的安全性。
[0059] 以设定M= 4为例，图2和图3分别描绘了系统在复高斯信号输入和不同参数以 及场景假定下的各态历经可达安全速率和安全中断概率性能曲线，进一步地从系统安全性 能仿真的角度，定量地展示了本发明在保障5G上行单输入多输出（SHTO)系统无线安全传 输上的功效。
[0060] 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。图中和aRs分别代表系统在最优功率 分配和等功率分配下的各态历经可达安全速率；和分别表示最差安全 传输场景中，系统在最优功率分配下的各态历经可达安全速率，在等功率分配下的各态历 经可达安全速率的高信噪比近似结果和等功率分配下的各态历经可达安全速率；pjPP B 分别为节点Alice和Bob的发射信噪比。
[0061] 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。图中分别表示最差安全传输场景中，给定功率分配下的系统安 全中断概率、给定功率分配下的系统安全中断概率高信噪比近似、最优功率分配下的系统 安全中断概率；/<表示预先设定的目标安全速率。
【主权项】
1. 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，其特征在于，所述5G通信系统包含有一个单天线用户节点Alice, -个M根天线基站节点Bob,W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W下步 骤： 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； 步骤2,基站节点Bob利用估计出的小尺度信道信息hie，设计出安全传输第一阶段的M 维反馈信号矢量为其中Pe(0, 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，Pe为基站节点Bob的信号发射功率， W=14/|hwII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，少表示基站节点Bob到单天线用户节点Alice小 尺度信道的零空间矩阵且=I，te(CW-w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0方差为1的复高斯分布； 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Alice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>2;nA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表示基站节点Bob到窃听节 点Eve之间的距离，賠SeC"xi代表窃听节点Eve到基站节点Bob之间的小尺度衰落信道， 扭为窃听节点Eve处的接收噪声； 步骤4,在安全传输的第二阶段，单天线用户节点Alice设计并广播信号运里nG(0, 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n,的方差； 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庚中ne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r,。代表单天线 用户节点Alice和窃听节点Eve之间的距离，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，4为窃听节点Eve在安全传输第二阶段的接收噪声。2. 根据权利要求1所述的一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法， 其特征在于，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。3. 根据权利要求1所述的一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法， 其特征在于，M> 3。4. 根据权利要求1所述的一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法， 其特征在于，步骤5中，基站节点Bob利用最大似然检测方法，从ye中准确地估计出保密信 号Sd5. -种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，其特征在于，包括W下 步骤： 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； 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W形成混合发射信号； 其次，在安全传输的第二阶段，单天线用户端广播运一混合发射信号； 最后，上行多天线通信基站端完成对混合发射信号的接收。6. 根据权利要求5所述的一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法， 其特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开一种5G通信系统中基于下行反馈辅助的上行安全传输方法，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；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；第二阶段：用户端广播这一混合发射信号；基站端完成对混合发射信号的接收。由于基站端已知自身所发人工干扰信号，因而能够从接收信号中分离出期望的保密信号。而单天线无源窃听端在两阶段传输过程中接收到的均为混合信号，且无法获知关于人工干扰和人工噪声信号的任何先验信息，为此其窃取保密信息的可能性较低，从而最终有效保障了5G上行链路单输入多输出系统的传输安全性。
【IPC分类】H04W12/02
【公开号】CN105007578
【申请号】CN201510309682
【发明人】王文杰, 刘超文, 邓浩, 吴飞龙, 杨斌
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月5日