[發明專利]一種多中繼多干擾竊聽網絡中保障物理層安全的方法

有效

• 申請號: 201410757033.0
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104378757B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 劉琚;盧冰冰;董鄭;陳赫;孫國霞
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04L29/06
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 李健康

技術領域

本發明公開了一種多中繼多干擾竊聽網絡中保障物理層安全的方法，該方法屬于無線通信、信號處理技術領域。

背景技術

無線通訊的迅猛發展給人們的生活和工作帶來了便利，然而隨之產生的安全性問題卻給用戶的隱私帶來了巨大的隱患。在現有的無線通信系統中，通過網絡層編碼技術在一定程度上實現信息的安全傳輸，即在發送端通過一定的信源編碼和信道編碼進行調制，發送后在接收端根據對應的解碼技術進行解調恢復源信號。通過網絡層編碼技術，即使其他用戶能夠接收或者截取信號，由于缺少對應的解碼秘鑰，不能在較短的時間內解調出有用的信息，或者解密信號所需要的代價大于源信號帶來的價值，從而實現信息的安全傳輸。然而隨著計算機運算能力的迅速提高，解碼所需時間也越來越短，保證信息的安全傳輸需要的編碼技術也愈加復雜?；诖?，近來提出的物理層安全技術可以有效的解決這一問題。

不同于網絡層編碼技術，物理層安全技術是在物理層上實現信息安全傳輸。1975年Wyner提出，如果發送端和竊聽端之間的信道信息比發送端和接收端的信道信息差，即竊聽端接收到的信號互信息小于接收端的互信息，信號就能在無線通信系統中進行安全傳輸。通過一定的方法，比如波束成形、人工噪聲等技術，可以實現Wyner的理論。波束成形技術是通過將多個天線或者多個中繼節點發送的信號集中到一個對準目的節點的方向上，即可將有用的信息最大化地傳送到接收端。人工噪聲技術通過發送噪聲到竊聽端，干擾竊聽端接收的信號，從而提高系統的安全性。物理層安全方面的技術，在無線通信系統中可以作為網絡層編碼的輔助手段保障信息傳輸的安全性。

通過最近幾年的研究，提出了各種各樣解決物理層安全問題的方法，然而這些方法各有優缺點。本發明聯合波束成形和人工噪聲的方案，在集中發送功率到目的節點的同時，發送噪聲到竊聽端，從而在保證信息安全傳輸的同時最大化接收端的信噪比。

發明內容

本發明提出了一種多中繼多干擾竊聽網絡中保障物理層安全的方法；聯合波束成形技術和人工噪聲技術，把中繼群分為中繼轉發群組和干擾群組，中繼轉發群組運用波束成形技術將信號轉發到目的節點，同時干擾群組發送噪聲干擾竊聽端。在未知竊聽端信道狀態信息的情況下，通過優化中繼轉發群組和干擾群組的波束成形權值，保證系統最大自由度前提下，最大化系統的安全率。

本發明的技術方案如下：

一種多中繼多干擾竊聽網絡中保障物理層安全的方法，該方法基于一個多中繼多干擾協作網絡，該網絡由一個源節點S，一個目的節點D，一個竊聽端E和一個含有M個節點的中繼群組成，每個節點均配備單根半雙工天線；其中在中繼群中的M個節點中取出M₁個節點作為中繼轉發節點用來轉發信號，剩余的M₂個節點作為干擾節點來發送噪聲干擾竊聽端；由于信道衰落的原因，源節點與目的節點之間沒有直接鏈路連接，需要M₁個中繼轉發節點來轉發信號；且假設竊聽端可能存在于系統的任何位置，所以假設竊聽端能夠與源節點和中繼群直接相連；由于竊聽端所在的位置是未知的，因此各個節點到竊聽端的信道狀態信息未知；

在該系統中，第一個時隙，信號首先由源節點S廣播發送，M₁個中繼轉發節點收到源信號，期間由于竊聽端有機會竊取信號，M₂個干擾節點發送加權的廣播噪聲來干擾潛在的竊聽者；第二個時隙，M₁個中繼轉發節點經過波束成形加權后放大轉發接收到的混疊了噪聲的源信號給目的節點，同時為了防止信息泄露，M₂個干擾節點繼續廣播發送經過加權的干擾噪聲來混淆可能潛在于各方面的竊聽者；

在首先確保系統自由度最大的情況，在中繼功率的約束下，優化中繼轉發節點群和干擾節點群的波束成形變量來最大化系統的保密率，然后計算最佳的中繼功率分配方案繼而最大化系統保密率，具體步驟如下：

步驟一、從M個中繼節點里選擇M₁個節點組成中繼轉發群組，另外選擇剩余的M₂個節點組成干擾節點群，其中M₂大于1，通過信道估計獲得相應的信道參數；

步驟二、設置第一個時隙中干擾群組發送信號的波束成形權值為其中[·]^T表示的是向量的轉置，并設定w⁽¹⁾為單位向量；

步驟三、設置第二個時隙中干擾群組發送信號的波束成形權值為w⁽²⁾從g_J的零空間里隨機選取，其中g_J為干擾節點群到目的節點之間的信道參數