[發明專利]一種多用戶對端到端中繼系統的安全預編碼方法

有效

• 申請號: 201611241689.2
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106788643B
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 蔡躍明;曹闊;楊煒偉;楊文東;吳丹
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04L25/02;H04L25/03
• 代理公司: 11467 北京德崇智捷知識產權代理有限公司
• 代理人: 衛麟

1.一種多用戶對端到端中繼系統中用于物理層安全的預編碼方法，所述系統包括一個中繼節點(R)，K個源節點(S₁,S₂,...,S_k,...,S_K)，K個目的節點(D₁,D₂,...,D_k,...,D_K)和J個竊聽節點(E₁,E₂,...,E_j,...,E_J)，每一個所述源節點(S_k)分別與其對應的第k個目的節點(D_k)構成一組用戶對({S_k,D_k})，共構成K組用戶對({S₁,D₁},{S₂,D₂},...,{S_k,D_k},...,{S_K,D_K})，所述中繼節點(R)包含N根天線(R₁,R₂,...,R_n,...,R_N)，其中N為天線根數，N為正整數且滿足N≥K+J，其中，所述用戶對個數K和竊聽節點個數J均為正整數，k為[1,K]范圍內的任一整數，表示所述每一組用戶對({S_k,D_k})的編號；j為[1,J]范圍內的任一整數，表示所述每一個竊聽節點(E_j)的編號；n為[1,N]范圍內的任一整數，表示所述每一根天線(R_n)的編號，其特征在于，預編碼步驟如下：

第一步，信道估計：所述中繼節點(R)首先接收全部用戶對({S₁,D₁},{S₂,D₂},...,{S_k,D_k},...,{S_K,D_K})和全部竊聽節點(E₁,E₂,...,E_k,...,E_J)反饋的位置信息；然后根據所述位置信息分別計算所述用戶對中每一個源節點(S_k)到所述中繼節點中每一根天線(R_n)的信道增益所述中繼節點中每一根天線(R_n)到所述用戶對中每個目的節點(D_k)的信道增益以及所述中繼節點中每一根天線(R_n)到所述每一個竊聽節點(E_j)的信道增益再將每一個所述源節點(S_k)到每一根天線(R_n)的信道增益組合為源節點信道增益矢量將所述每一根天線(R_n)到每一個目的節點(D_k)的信道增益組合為目的節點信道增益矢量將所述每一根天線(R_n)到每一個竊聽節點(E_j)的信道增益組合為竊聽節點信道增益矢量

第二步：接收廣播信息：所述用戶對({S₁,D₁},{S₂,D₂},...,{S_k,D_k},...,{S_K,D_K})中的每一個源節點(S_k)均分別通過中繼節點向其對應的目的節點(D_k)發送私密信息x_k，則記中繼節點中每根天線(R_n)接收到的信號為將所述中繼節點中每一根天線(R_n)接收到的信號組合為天線接收信號矢量

第三步：預編碼處理：中繼節點對天線接收信號矢量進行預編碼運算，得到預編碼矢量信號By_R，其中B為N×N維預編碼矩陣，預編碼矩陣B第l行第q列元素記為B(l,q)，其中l和q均為[1,N]范圍內的整數，記預編碼向量b為預編碼矩陣B按列堆棧所得的N²×1維向量，所述預編碼向量b的生成步驟如下：

步驟301：計算每個目的節點(D_k)處的等效干擾矩陣

F_k＝[f_1,k,f_2,k,...,f_k-1,k,f_k+1,k,...,f_K,k]^T，其中，第i源節點(S_i)到第k個目的節點(D_k)的等效干擾向量i∈[1,K],i≠k；

步驟302：計算每個竊聽節點(E_j)處的等效竊聽矩陣G_j＝[g_1,j,g_2,j,...,g_K,j]^T，其中，第k源節點(S_k)到第j個竊聽節點(E_j)的等效竊聽向量

步驟303：計算等效干擾矩陣和等效竊聽矩陣的零空間T，將所有等效干擾矩陣F_k＝[f_1,k,f_2,k,...,f_k-1,k,f_k+1,k,...,f_K,k]^T和等效竊聽矩陣G_j＝[g_1,j,g_2,j,...,g_K,j]^T合并為干擾竊聽矩陣對干擾竊聽矩陣Φ進行奇異值分解則等效干擾矩陣和等效竊聽矩陣的零空間T＝V_Φ(:,[N²-K(K+J-1)+1:N²])；

步驟304：預編碼信號處理消除多用戶干擾和信息泄露：按照下述公式計算預編碼向量其中P_R為中繼轉發設備功率的最大值；N×N維矩陣Q為中繼節點接收信號功率的協方差矩陣，其中P_k為第k個源節點(S_k)發送私密信息的功率，為源節點信道增益矢量的共軛矩陣，為源節點信道增益矢量的轉置矩陣；I_N為N×N維單位陣；σ²為加性高斯白噪聲的方差；(N²-K²-KJ+K)×1維等效波束賦形向量p為所有目的節點接收功率協方差矩陣最大特征值對應的單位特征向量，其中，源節點(S_k)到與其對應目的節點(D_k)的等效直傳向量最終根據預編碼向量b得到預編碼矩陣B(l,q)＝b(qN-N+l)；

第四步：轉發信號：所述中繼節點(R)中的每一根天線(R_n)均按照轉發預編碼矢量信號。