[发明专利]一种中继物理层安全传输方法

摘要

本发明提供了一种中继物理层安全传输方法，属于通信领域。本发明的中继节点工作在全双工模式下，配备多根天线，采用解码转发协议。本发明设计了预编码矩阵作为人工噪声，让中继节点在每个时隙同时发送期望信号和人工噪声的混合信号到目的节点。窃听节点能够窃听到该混合信号。目的节点能够从混合信号中消除设计的人工噪声，从而解码出期望信号，而窃听节点无法做到这一点。本发明还推导获得系统的安全速率，获取了期望信号和人工噪声之间的最优功率分配策略。通过本发明方法，可以有效地对抗窃听行为，显著提升系统的安全性能。

主权项

1.一种中继物理层安全传输方法，其特征在于，所用中继系统模型包含有一个单天线源节点S，一个M根天线的中继节点R，一个单天线窃听节点E以及一个单天线目的节点D；M为大于1的整数；中继节点采用解码转发协议且工作在全双工模式；所有信道经历块衰落，信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，且相互独立服从均值为0，方差为1的复高斯分布；设源节点S到中继节点R、源节点S到窃听节点E、中继节点R到目的节点D、以及中继节点R到窃听节点E的信道转移矩阵分别为表示复数域；所述的传输方法包括如下步骤：步骤1，在t时刻，单天线源节点S向中继节点R发送期望信号xs(t)；步骤2，在t时刻，中继节点R接收到来自源节点S在t‑1时刻发送的信号xs(t‑1)，中继节点转发的信号xr(t)为：其中，α为期望信号与人工噪声之间的功率分配因子，α∈(0,1)；w₁、w₂为设计的人工噪声，w₂＝H_⊥，H_⊥为矩阵h_rd零空间的正交基的列向量，h_rdw₂＝0；z(t)为系统噪声，z(t)＝[z₁(t),z₂(t),...,z_M‑1(t)]^T，x_s(t‑1)与z(t)相互独立；噪声部分w₂z(t)发射的空间各向同性，不会干扰到目的节点D；(·)^H、(·)^T分别表示矩阵的共轭转置、转置，||·||表示矩阵的范数；中继节点R在t时刻接收到的信号yr(t)为：其中，表示中继节点R经过自干扰消除技术之后的残余自干扰，设h_rr是独立瑞利分布变量；P_s是源节点S的发射功率，P_r是中继节点R的发射功率；n_r(t)为t时刻中继节点处的加性噪声，噪声矩阵n_r(t)中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量，均值为零，方差为步骤3，在t时刻，目的节点D接收到信号yd(t)为：其中，nd(t)为t时刻目的节点处的加性噪声，矩阵nd(t)中每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量；步骤4，在t时刻，窃听节点E接收到信号ye(t)为：其中，ne(t)为t时刻窃听节点E处的加性噪声，噪声矩阵ne(t)中的每一个元素是独立同分布的复高斯随机变量；步骤5，获得源节点S到中继节点R的速率Rsr为：其中，(·)‑1表示矩阵的取逆运算；获得中继节点R到目的节点D的速率Rrd为：Rrd＝log2(1+αPr||hrdw1||2)；获得窃听信道的速率Re为：其中，|·|表示求复数的绝对值；获得系统安全速率Rs为：步骤6，利用二分法，得到系统安全速率的最优功率分配αopt为：其中I为单位矩阵，根据αopt进行期望信号与人工噪声之间的功率分配。