一種認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法與流程
2023-11-06 16:51:40
本發明涉及認知無線電技術、信息安全技術領域，具體涉及一種認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法。
背景技術：
現如今，隨著無線移動通信業務量正在急劇增長，如何有效的提高頻譜資源利用率和保證信息傳輸的可靠性等問題變得越來越重要。隨著認知無線電技術不斷深入發展，次用戶在接入授權頻帶時只要保證對授權用戶的幹擾在主用戶能夠忍受的範圍內，就可以在授權頻帶上傳輸自己的信息，這大大提高了無線頻譜的利用率避免頻譜資源的浪費，這一概念已然成為解決無線頻譜資源匱乏等問題的重要途徑。但由於無線通信自身的廣播特性，通信信號很容易被非法用戶竊聽，這就不能保證用戶端到端的安全通信。
目前，信息安全技術主要分為傳統的加密技術和物理層安全技術，傳統加密技術大多基於密碼學，對密鑰的分配和管理要求極高。然而在無線通信系統中，尤其是一些無中心節點和網絡拓撲動態變化的網絡中，這就使得傳統的網絡安全技術不再適用。物理層安全技術利用無線信道的噪聲和隨機衰落特性等，使發送端到合法接收端信息量最大，讓所有竊聽端竊聽到的信息儘可能少。在竊聽信道模型中，當主信道的信息量比竊聽信道的信息量多時，系統就獲得了保密容量，故不存在密鑰管理問題，並且物理層安全技術還可以進一步提高網絡的安全性。
在認知無線電網絡中，協作中繼技術的引入，在有效提高網絡容量的同時還使得存在非法竊聽用戶網絡的安全性得到提高。針對認知中繼網絡中物理層安全技術研究，多天線技術和人為噪聲的添加被認為是提高物理層安全的兩種主要技術。通過在協作中繼協作傳輸消息時加入人為噪聲幹擾非法竊聽者，被證明在提高物理層安全上有很大的作用，此外，將多天線技術應用到協作中繼上，也使得系統的安全保密容量得到很大的提升。
在協作中繼傳輸方式上，隨著自我幹擾消除技術的發展，全雙工協作中繼得到了廣泛的研究，也被證明相比於半雙工協作中繼，其在傳輸容量上有很大的提高。研究表明，理論上全雙工相比半雙工的傳輸容量可以提高一倍，但是實際上自我幹擾不能完全消除，傳輸容量達不到理論最高值。
目前，在認知中繼網絡下的物理層安全問題上，半雙工和全雙工協作中繼得到了廣泛的研究，並且證明其各自在特點條件下的優越性，但是很少有人考慮將兩種雙工模式的優點相結合起來，以此來提升物理層安全保密容量問題。
技術實現要素：
針對現有的認知中繼網絡中物理層安全問題上只單獨考慮協作中繼的半雙工、全雙工傳輸情形，本發明提出一種認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法，根據全雙工自我幹擾功率在半雙工傳輸和全雙工傳輸之間切換，從而利用全雙工的傳輸容量優勢又弱化自我幹擾對傳輸容量性能的不利影響。最終最大化認知中繼網絡中物理層安全保密容量。
為了實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為：
認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法，
該方法用於認知中繼協作網絡，該網絡包含一對非授權用戶發射機st和接收機sr、一個協作中繼r以及一個非法竊聽端e，所有節點都是全雙工的，協作中繼r裝有一根發射天線和一根接收天線，其它用戶節點都只裝有一根天線，非授權用戶對在滿足對授權用戶幹擾條件的限制下與授權用戶共享頻帶資源，協作中繼在提高信息傳輸的有效性同時還通過添加認為噪聲扮演著混淆非法用戶竊取信息的角色，以此提高信息的安全傳輸；
半雙工傳輸時，一個中繼傳輸幀分成兩個相等的時隙，
在時隙1，非授權用戶發射機st以發射功率ps(w)發送一個信號xs(t)，系統其他節點進行監聽；
在時隙2，協作中繼r正確解碼來自上個時隙st的信號xs(t)，並將xs(t)與人工幹擾噪聲信號xp(t)組合，得到組合信號其中，a表示半雙工時的功率分配因子，然後將該組合信號以發射功率pr(w)轉發給非授權用戶接收機sr，同時非法竊聽用戶e接收到來自中繼的轉發信號，整個傳輸過程授權用戶忍受的幹擾功率為pr(w)，非授權用戶接收機sr根據時隙2接收到的信號解碼xs(t)，此時信息傳輸的安全保密容量為chalf；
全雙工傳輸時，每個中繼傳輸幀不劃分時隙，
協作中繼r將接收來自st的解碼信號xs(t)後，立即和幹擾人工噪聲信號xp(t)合併得到組合信號其中，b表示全雙工時的功率分配因子，並且立即以發射功率pr(w)轉發出去，產生自我幹擾xk(t)，非授權用戶接收機sr和非法竊聽用戶e都將接收到轉發信號，整個傳輸過程授權用戶忍受的幹擾功率為非授權用戶接收機sr根據時隙2接收的信號解碼xs(t)，此時信息傳輸的安全保密容量為cfull(bit/s)；
當自我幹擾xk(t)的功率prr(w)低於設定閾值γ時，協作中繼r就採用全雙工模式傳輸；否則採用半雙工傳輸，據此得到半雙工/全雙工混合傳輸下信息傳輸的安全保密容量c，
在中繼節點r的發射功率約束和對授權用戶幹擾約束下最大化非授權用戶信息傳輸的安全容量，建立優化問題如下，
其中i是授權用戶接收機pr能忍受的最大幹擾功率，ps和pr分別是非授權發射機st和協作中繼r的發射功率，a和b分別代表半雙工和全雙工傳輸時信號和人為噪聲的功率分配因子，
對該優化問題求解，得到最優功率分配因子a和b，以及非授權發射機的發射功率ps，如果它是凸的，採用交替迭代算法或者拉格朗日乘數法求解；如果它是非凸的，先利用分式規劃或者對偶分解等方法將它轉化為凸優化問題，再用交替迭代算法或者拉格朗日乘數法求解，得到最優功率分配因子a和b後，協作中繼節點r對接收信號以及幹擾人為噪聲的處理完全確定，從而最大化系統的物理層安全保密容量。
本發明實現了以下有益技術效果：
1)本發明適用於認知中繼網絡中存在非法竊聽用戶場景下提高非授權用戶物理層安全容量情形；
2)將協作中繼的半雙工和全雙工傳輸模式相結合，在利用全雙工的傳輸容量優勢同時弱化了自我幹擾對傳輸容量性能的不利影響，最大限度的提升保密容量。
本發明的優點為：本發明可用於認知中繼網絡中存在非法竊聽用戶場景下提高非授權用戶在與授權用戶共享頻帶時的物理層安全容量的情形，該方案具有較廣的適用範圍、低複雜度以及能夠利用全雙工的傳輸容量優勢又弱化自我幹擾對傳輸容量性能的不利影響等優點。
附圖說明
圖1為認知中繼網絡的物理層安全示意圖；
圖2為信息傳輸時隙圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明做進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例
一種認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法。
一種認知中繼網絡中提升物理層安全的混合雙工傳輸方法，該方法用於認知中繼協作網絡，該網絡包含一對非授權用戶發射機st和接收機sr、一個協作中繼r以及一個非法竊聽端e。所有節點都是全雙工的，協作中繼r裝有一根發射天線和一根接收天線，其它用戶節點都只裝有一根天線，非授權用戶對在滿足對授權用戶幹擾條件的限制下與授權用戶共享頻帶資源，協作中繼在提高信息傳輸的有效性同時還通過添加認為噪聲扮演著混淆非法用戶竊取信息的角色，以此提高信息的安全傳輸。
本發明所涉及到的無線信道均為準靜態的瑞利塊衰落和加性高斯白噪聲信道。為了簡化分析，我們假設所有信道狀態信息在一個時隙內是保持不變的，並且已知。ht(t＝1.2.3.4.5.6)分別表示st→r、st→e、st→pr、r→sr、r→e和r→pr的信道係數。
當中繼端採用半雙工傳輸時，如圖2所示，一個中繼傳輸幀分成兩個相等的時隙，在時隙1，非授權用戶發射機st以發射功率ps(w)發送一個信號xs(t)，系統其他節點進行監聽，則此時協作中繼r以及竊聽者e接收到的信號可以分別表示為
其中ps是非授權用戶發射機st的發射功率，xs(t)是非授權用戶發射機st的發送信號，它們的均值為0、方差歸一化為1。n1(t)、n2(t)是均值為零、方差為σ2的加性高斯白噪聲；
在時隙2，協作中繼r正確解碼來自上個時隙st的信號xs(t)，並將xs(t)與人工幹擾噪聲信號xp(t)組合，得到組合信號xc(t)，然後將該組合信號以發射功率pr(w)轉發給非授權用戶接收機sr，同時非法竊聽用戶e接收到來自中繼的轉發信號，整個傳輸過程授權用戶忍受的幹擾功率為pr(w)，該轉發組合信號xc(t)表示為
其中a表示半雙工時的功率分配因子，非授權用戶接收機sr和竊聽者e的接收信號分別表示為
其中pr是協作中繼r的發射功率。v1(t)和v3(t)是均值為零、方差為σ2的加性高斯白噪聲。
兩個時隙授權用戶接收機pr忍受的最大幹擾功率為
pr(w)＝max{ps|h32,pr|h62}(7)
非授權用戶接收機sr根據時隙2接收的信號正確解碼xs(t)，信息傳輸速率表示為:
竊聽者e根據兩個時隙接收到的信號解碼xs(t)，信息傳輸速率表示為：
由此可以得到半雙工時系統可以獲得的安全保密容量為
chalf＝[rsr,half-re,half]+(10)
其中[x]+表示max(0,x)；
全雙工傳輸時，每個中繼傳輸幀不劃分時隙，協作中繼r將接收來自st的解碼信號xs(t)後，立即和幹擾人工噪聲信號xp(t)合併得到組合信號(其中，b表示全雙工時的功率分配因子)，並且立即以發射功率pr(w)轉發出去，產生自我幹擾xk(t)，非授權用戶接收機sr和非法竊聽用戶e都將接收到轉發信號。該轉發組合信號表示為
其中b表示全雙工時的功率分配因子，非授權用戶接收機sr和竊聽者e的接收信號分別表示為
其中prr是幹擾消除後的殘留自我幹擾功率，hrr是協作中繼r發射端到接收端的信道係數，自我幹擾建模為
授權用戶接收機pr忍受的幹擾功率為
非授權用戶接收機sr根據時隙2接收的信號正確解碼xs(t)，得到的信息傳輸速率表示為
竊聽者e根據兩個時隙接收到的信號解碼xs(t)，信息傳輸速率表示為
由此可以得到全雙工時系統的安全保密容量為
cfull＝[rsr,full-re,full]+(17)
當自我幹擾xk(t)的功率pk低於閾值γ時，採用全雙工傳輸；否則採用半雙工傳輸。因此半雙工/全雙工混合傳輸的信息傳輸速率為
c＝p(prr＜γ)cfull+p(prr≥γ)chalf(18)
其中p(prr＜γ)是prr低於γ的概率。優化問題建立為
其中i是授權用戶接收機pr能忍受的最大幹擾功率。參數ps,max、pr,max、i、γ是給定的，參數hi(i＝1,2,3,4,5,6)、hrr以及σ2可以通過測量獲得。參數prr取決於全雙工使用的幹擾消除方法。給定某種幹擾消除方法，一個傳輸幀的prr值是固定的，可以根據很多個傳輸幀的prr值變化統計概率p(prr＜γ)和p(prr＜γ)，從而得到式(18)所示的c，代入式(19)對優化問題進行求解。該優化問題的約束函數並非都是凸的，使得對該優化問題直接解變得很困難。所以我們首先優化問題變量中的一個，使另一個變量固定，此時針對該子優化問題：如果它是凸的，採用拉格朗日乘數法求解；如果它是非凸的，先將它轉化為凸優化問題，再用拉格朗日乘數法或者內點法求解。對另一變量重複上述優化步驟。最後針對分別優化的約束變量，運用一維搜索優化方法或交替迭代優化方法得到最優功率分配因子a和b以及最優發射功率ps，協作中繼節點r對接收信號以及幹擾人為噪聲的處理完全確定。實際應用時在每個傳輸幀只要prr低於閾值γ時，就採用全雙工模式傳輸；否則採用半雙工模式傳輸，這樣看來在整個信息傳輸過程就實現了半/全雙工混合傳輸。