本發(fā)明涉及無線通信和物理層安全領(lǐng)域，特別涉及一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得信息的安全傳輸更容易受到威脅?；诿荑€體制的高層安全協(xié)議和加密算法等方法雖然可以在一定程度上提升信息安全性，但無法克服無線信道的廣播特性和迅速提升的計(jì)算能力對信息安全產(chǎn)生的不利影響。物理層安全技術(shù)通過充分利用無線信道復(fù)雜的空間特性和時(shí)變特性，直接從物理層保障信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

近些年，相比與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同中繼技術(shù)的研究受到了廣泛關(guān)注，協(xié)作中繼通信能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并能確保更高的吞吐量和服務(wù)質(zhì)量。協(xié)作中繼傳輸方法能夠改善無線通信的安全性能。

在衰落信道中，大多數(shù)研究者采用的中繼節(jié)點(diǎn)為可信中繼，協(xié)作中繼安全傳輸中除了友好的中繼節(jié)點(diǎn)外，也可能存在非可信的中繼節(jié)點(diǎn)。然而當(dāng)中繼為非可信中繼時(shí)，對系統(tǒng)的安全性能有非常大的影響。當(dāng)非可信中繼采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議傳輸時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)將比目的節(jié)點(diǎn)接收到更準(zhǔn)確的信息，會(huì)導(dǎo)致無法獲得系統(tǒng)正安全容量。因此，非可信中繼通信系統(tǒng)一般采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，但系統(tǒng)的安全容量也不會(huì)有太大的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法，目的節(jié)點(diǎn)采用全雙工工作方式，對中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾噪聲，干擾中繼的竊聽，目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)會(huì)接收到信源直接發(fā)送的信息；通過對信源和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率的最優(yōu)分配，以及對多天線全雙工目的節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線的最優(yōu)選擇合理分配，使得系統(tǒng)的安全容量最大化，從而使本發(fā)明方法的傳輸安全性能達(dá)到最優(yōu)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法，應(yīng)用在包括信源s、中繼r和目的端d三個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)中，所述中繼為非可信中繼；其特征在于，所述目的節(jié)點(diǎn)配置n根天線且工作于全雙工模式下，且目的節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線隨機(jī)分配，其余節(jié)點(diǎn)配置單根天線，所述無線通信系統(tǒng)信息的傳輸過程分為兩個(gè)時(shí)隙完成，所述全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法包括：

目的端獲知信源端和中繼端發(fā)送的導(dǎo)頻信息，根據(jù)導(dǎo)頻信息估計(jì)信道，獲取信道狀態(tài)信息；

目的端利用信道狀態(tài)信息，從目的端配置的n根天線中選出一組安全容量最大的收發(fā)天線；

第一時(shí)隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時(shí)向中繼發(fā)送干擾信號；

第二時(shí)隙中，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議將第一時(shí)隙內(nèi)接收的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)至目的端，目的端進(jìn)行自干擾消除；

目的端將第一時(shí)隙和第二時(shí)隙接收到的信息進(jìn)行最大比合并，并計(jì)算最大系統(tǒng)安全容量；

根據(jù)最大系統(tǒng)安全容量，獲取最優(yōu)功率分配因子。

所述兩個(gè)時(shí)隙的每個(gè)時(shí)隙總功率為p，信源發(fā)送信息的功率為ps＝αp，目的端發(fā)送干擾信號的功率為pd＝(1-α)p，其中α∈(0,1)為功率分配因子，中繼發(fā)送功率為pr＝p。

所述目的端利用信道狀態(tài)信息，從目的端配置的n根天線中選出一組安全容量最大的收發(fā)天線，包括：

從根天線中選擇一根天線使得r→d鏈路的信道參數(shù)最大，并同時(shí)從根天線中選擇一根天線使得s→d鏈路的信道參數(shù)最大，其中天線數(shù)和服從將目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線和接收天線的選擇序號分別標(biāo)記為：當(dāng)時(shí)，采用天線選擇方法可獲得系統(tǒng)安全容量為當(dāng)時(shí)，可獲得系統(tǒng)安全容量為為最大化系統(tǒng)安全容量，最優(yōu)發(fā)送和接收天線選擇表述為：其中，hrd,i表示中繼與目的端第i根天線之間的信道參數(shù)，hsd,j表示信源到目的端第j根天線之間的信道參數(shù)。

所述第一時(shí)隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時(shí)向中繼發(fā)送干擾信號，包括獲得中繼和目的端在第一時(shí)隙內(nèi)的接收信噪比，如下：

信源s將信息廣播至中繼r和目的端d，與此同時(shí)，目的端發(fā)送人工噪聲信號到中繼節(jié)點(diǎn)來防止中繼竊聽；中繼接收信號的表達(dá)式為其中hsr為信源至中繼的信道參數(shù)，hdr為目的端至中繼的信道參數(shù)，xs為單位方差信源信號，xd為單位方差目的端人工噪聲信號，nr表示中繼的方差為σ²的加性白高斯噪聲；同時(shí)，目的端在第一時(shí)隙內(nèi)接收信號的表達(dá)式可表示為其中，hsd為直達(dá)路徑信源到目的端的信道參數(shù)，取值hsd,j，hli為目的端收發(fā)天線間的自干擾信道參數(shù)，nd1表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲；在第一時(shí)隙中，根據(jù)上述表達(dá)式，求得中繼和目的端在第一時(shí)隙內(nèi)的接收信噪比表達(dá)式分別為：其中γsr＝ρ|hsr|²，γrd＝ρ|hrd|²，γsd＝ρ|hsd|²，γli＝ρ|hli|²，ρ＝p/n0為系統(tǒng)發(fā)送信噪比，hrd表示中繼與目的端之間的信道參數(shù)，由于信道互易性，hdr＝hrd，取值hrd,i。

所述中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議將第一時(shí)隙內(nèi)接收的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)至目的端，目的端進(jìn)行自干擾消除，包括獲得目的端在第二時(shí)隙中的接收信噪比，如下：

在第二時(shí)隙中，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議將信源信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，目的端接收信號表示為其中nd2表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲，中繼發(fā)送的信號xr表示為xr＝βyr；其中β是放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)的功率放大因子，表示為β²＝1/(ps|hsr|²+pd|hdr|²+σ²)；由yr的表達(dá)式得到

由上可得在第二時(shí)隙中，目的端的接收信噪比為

所述目的端將第一時(shí)隙和第二時(shí)隙接收到的信息進(jìn)行最大比合并，包括獲得目的端d的接收信噪比γd：

信源s和中繼r通過正交信道傳輸信息到目的端d，故目的端d采用最大比合并技術(shù)接收兩路信號；可得目的端d的接收信噪比γd可以表示為：

在中高信噪比區(qū)域，上式可進(jìn)一步近似為：

計(jì)算最大系統(tǒng)安全容量如下：

竊聽信道的信道容量表示為合法信道的信道容量表示為則系統(tǒng)的瞬時(shí)安全容量可以表示為其中[x]⁺＝max{0,x}；

將中繼的接收信噪比γr和目的端的接收信噪比γd代入上式，得到系統(tǒng)的瞬時(shí)安全容量為：

則最大系統(tǒng)安全容量表示為：

其中，

根據(jù)最大系統(tǒng)安全容量，獲取最優(yōu)功率分配因子，表示為

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾噪聲到中繼節(jié)點(diǎn)，而且目的節(jié)點(diǎn)在接收中繼的轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)，可以把自身發(fā)送干擾噪聲消除，從而不受自身發(fā)送的干擾噪聲的影響；

(2)本發(fā)明的信源端和目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率最優(yōu)分配方案，既能使信源高效地發(fā)送信息到目的節(jié)點(diǎn)，又能使目的節(jié)點(diǎn)有效地干擾中繼節(jié)點(diǎn)接收有用信息，從而讓系統(tǒng)的安全性能最大化；

(3)本發(fā)明的多天線目的節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線的最優(yōu)選擇方案以提升系統(tǒng)安全性能，即目的節(jié)點(diǎn)采用哪根天線發(fā)送干擾噪聲，采用哪根天線接收信源和中繼的有用信息。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法不局限于實(shí)施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明的傳輸方法與傳統(tǒng)的半雙工方法在有無天線選擇下的性能對比；

圖4為本發(fā)明的傳輸方法隨著功率分配因子的變化平均安全速率的變化情況；

圖5為本發(fā)明的傳輸方法隨著目的節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1所示，一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法，應(yīng)用在包括信源s、中繼r和目的端d三個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)中，其中中繼為非可信放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼，即中繼在接收信源有用信息的同時(shí)也在竊聽信源信息。本發(fā)明使用一種目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送人工噪聲的方法，用于干擾中繼竊聽。目的節(jié)點(diǎn)配置n根天線且工作于全雙工模式下，且目的節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線隨機(jī)分配，其余節(jié)點(diǎn)配置單根天線。考慮信源到目的節(jié)點(diǎn)之間存在直達(dá)路徑，系統(tǒng)中的各個(gè)信道均服從瑞利衰落信道。本發(fā)明中，信息的整個(gè)傳輸過程分為兩個(gè)時(shí)隙完成，在第一個(gè)時(shí)隙，信源將有用信息廣播至中繼和目的節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)在接收信源的有用信息的同時(shí)也會(huì)竊聽信息，為了防止中繼竊聽，全雙工目的節(jié)點(diǎn)在接收信源信息的同時(shí)將會(huì)發(fā)送人工噪聲干擾中繼的竊聽；在第二時(shí)隙中，中繼將接收到的信息通過放大轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)只接收信息。目的節(jié)點(diǎn)在第一時(shí)隙內(nèi)為全雙工工作模式，由于目的節(jié)點(diǎn)已知自身發(fā)送的干擾信號，可實(shí)施自干擾消除。本發(fā)明中的非可信中繼在實(shí)際通信環(huán)境中是經(jīng)常存在的，比如在信息安全傳輸?shù)倪^程中往往會(huì)遇到一些不可靠的因素，比如中繼為偽基站，在輔助轉(zhuǎn)發(fā)信息的同時(shí)實(shí)際上是在竊聽信息。

參見圖2所示，一種基于最優(yōu)天線選擇的全雙工多天線目的節(jié)點(diǎn)干擾傳輸方法，步驟包括：

步驟201，目的端獲知信源端和中繼端發(fā)送的導(dǎo)頻信息，根據(jù)導(dǎo)頻信息估計(jì)信道，獲取信道狀態(tài)信息；

步驟202，目的端利用信道狀態(tài)信息，從目的端配置的n根天線中選出一組系統(tǒng)安全容量最大的收發(fā)天線；

步驟203，第一時(shí)隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時(shí)向中繼發(fā)送干擾信號；

步驟204，第二時(shí)隙中，中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議將第一時(shí)隙內(nèi)接收的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)至目的端，目的端進(jìn)行自干擾消除；

步驟205，目的端將第一時(shí)隙和第二時(shí)隙接收到的信息進(jìn)行最大比合并，并計(jì)算最大系統(tǒng)安全容量；

步驟206，根據(jù)最大系統(tǒng)安全容量，獲取最優(yōu)功率分配因子。

具體的，在本發(fā)明方法中，信息傳輸分兩個(gè)時(shí)隙完成，設(shè)每個(gè)時(shí)隙的總功率為p，信源發(fā)送信息的功率為ps＝αp，目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾信號的功率為pd＝(1-α)p，其中α∈(0,1)為功率分配因子，中繼發(fā)送功率為pr＝p。在第一時(shí)隙中，信源s將信息廣播至中繼r和目的端d，與此同時(shí)，d發(fā)送人工噪聲信號到中繼節(jié)點(diǎn)來防止中繼竊聽。r接收信號的表達(dá)式為其中ps為s的發(fā)送功率，pd為d的發(fā)送功率，hsr為s至r的信道參數(shù)，hdr為d至r的信道參數(shù)(hrd表示中繼與目的端之間的信道參數(shù)，由于信道互易性，hdr＝hrd)，xs為單位方差信源信號，xd為單位方差目的端人工噪聲信號，nr表示r的方差為σ²的加性白高斯噪聲；同時(shí)，d在第一時(shí)隙內(nèi)接收信號的表達(dá)式可表示為hsd為直達(dá)路徑s到d的信道參數(shù)，hli為d收發(fā)天線間的自干擾信道參數(shù)，nd1表示d的方差為σ²的加性白高斯噪聲。在第一時(shí)隙中，根據(jù)上述表達(dá)式，可以求得r和d在第一時(shí)隙內(nèi)的接收信噪比表達(dá)式分別為：其中γsr＝ρ|hsr|²，γrd＝ρ|hrd|²，γsd＝ρ|hsd|²，γli＝ρ|hli|²，ρ＝p/n0為系統(tǒng)發(fā)送信噪比。

基于上述步驟，由于中繼采用了放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，將第一時(shí)隙內(nèi)中繼接收的信號進(jìn)行放大再轉(zhuǎn)發(fā)給d。因此，r發(fā)送的信號可以表示為xr＝βyr，其中β是放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)的功率放大因子，它可以表示為β²＝1/(ps|hsr|²+pd|hdr|²+σ²)，其中ps為s的發(fā)送功率，pd為d的發(fā)送功率，hsr為s至r的信道參數(shù)，hdr為d至r的信道參數(shù)。

基于上述步驟，在第二時(shí)隙中，r將信源信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。由此可知第二時(shí)隙中，d接收信號表達(dá)式為hrd表示r與d之間的信道參數(shù)，nd2均表示d的方差為σ²的加性白高斯噪聲，pr表示中繼在第二時(shí)隙的發(fā)送功率，xr表示r發(fā)送信號，且根據(jù)上述步驟它可以表示為xd為單位方差目的端人工噪聲信號，d在接收中繼信號能夠正確解碼出人工噪聲信號。由此可得在第二時(shí)隙中，d的接收信噪比為

基于上述步驟，由于目的節(jié)點(diǎn)已知自身發(fā)送的干擾信號，可實(shí)施自干擾消除。s和r通過正交信道傳輸信息到d，故d可采用最大比合并技術(shù)接收兩路信號。由上述步驟可得d的接收信噪比γd可以表示為基于當(dāng)前技術(shù)，可將自干擾信道的干擾信號抑制到噪聲的水平。當(dāng)系統(tǒng)在中高的發(fā)送信噪比下，可以認(rèn)為剩余的自干擾信號對接收信噪比影響非常小，可以忽略不計(jì)，便于數(shù)學(xué)分析并得出諸多有意義的結(jié)論。在中高信噪比(大于5db)區(qū)域，上式可進(jìn)一步近似為：

高斯竊聽信道的信道容量表示為合法信道的信道容量與竊聽信道的信道容量之差。針對本文模型，竊聽信道的信道容量可表示為合法信道的信道容量可表示為系統(tǒng)的瞬時(shí)安全容量可以表示為其中[x]⁺＝max{0,x}。

在本發(fā)明方法中，全雙工目的節(jié)點(diǎn)自由配置n根天線(每根天線都可用于發(fā)送或接收無線電信號)，目的端自由選擇發(fā)送和接收天線。在全雙工系統(tǒng)中，從根天線中選擇一根使得r→d鏈路的信道參數(shù)最大，并同時(shí)從根天線中選擇一根天線使得s→d鏈路的信道參數(shù)最大，其中天線數(shù)和服從將目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線和接收天線的選擇序號分別標(biāo)記為：當(dāng)時(shí)，采用天線選擇方法可獲得系統(tǒng)安全容量為當(dāng)時(shí)，可獲得系統(tǒng)安全容量為為最大化系統(tǒng)安全容量，最優(yōu)發(fā)送和接收天線選擇表述為：則本模型的安全容量可表示為：

基于上述步驟，通過本模型的瞬時(shí)信道安全容量，通過凸優(yōu)化理論來判斷其凹凸性，從而判斷其最優(yōu)α^*的存在性，并通過二分法對表達(dá)式進(jìn)行窮舉搜索和matlab仿真，最終得到最優(yōu)功率分配因子，其中

根據(jù)上述安全容量模型，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)非常大時(shí)，根據(jù)大數(shù)定律及極限性質(zhì)可得，安全容量表達(dá)式可表示為：

其中當(dāng)天線數(shù)n→∞時(shí)，和

如圖3所示為本發(fā)明的傳輸方法與傳統(tǒng)的半雙工方法在有無天線選擇下的性能對比。設(shè)置各個(gè)信道的平均信道增益分別為ωsr＝ωrd＝10和ωsd＝9，α＝0.5，n＝6。由圖可知，傳統(tǒng)的半雙工方法隨著發(fā)送信噪比的增加，平均安全速率趨于常數(shù)，而本模型的傳輸性能隨著信噪比的增加平均安全速率迅速增加，凸顯出本模型傳輸方法的性能優(yōu)越性。從圖3中看出，天線選擇方法對本模型的性能有顯著提升。

圖4為本發(fā)明的傳輸方法隨著功率分配因子的變化，平均安全速率的變化情況。設(shè)置各個(gè)信道的平均信道增益分別為ωsr＝ωrd＝10，ωsd＝9，n＝6。首先是隨著發(fā)送信噪比的增加，平均安全速率顯著增加；其次是最優(yōu)功率分配因子與前面分析的式子基本吻合，證明了前面分析的準(zhǔn)確性。

圖5為本發(fā)明的傳輸方法隨著目的節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目的變化曲線圖，設(shè)置各信道增益為ωsr＝ωrd＝1，ωsd＝1，功率分配因子α＝0.5。從圖中可看出隨著天線數(shù)目的增加，平均安全速率迅速增加；當(dāng)天線數(shù)達(dá)到100根左右時(shí)，平均安全速率緩慢增加。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。