一種ofdm放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)中的物理層安全傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線中繼系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種抵抗CFDM放大 轉(zhuǎn)發(fā)（AF)中繼系統(tǒng)中外在竊聽節(jié)點竊聽的時域噪聲設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 正交頻分復(fù)用（(FDM)技術(shù)作為4G中的關(guān)鍵技術(shù)，它能夠抗多徑衰落，頻譜效率 高，頻譜資源分配靈活等諸多優(yōu)點，解決了人們現(xiàn)階段高速通信的需求。在4G系統(tǒng)的建設(shè) 中，為了使系統(tǒng)具有較高的覆蓋率，較低的建設(shè)成本，人們將中繼技術(shù)引入到4G系統(tǒng)中。中 繼技術(shù)增強了無線通信的覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量，降低了建設(shè)的成本。將OFDM技術(shù)與中繼技 術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)容量的提升，并提高了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的靈活性。
[0003] 無線通信因其內(nèi)在的廣播特性，存在竊聽節(jié)點時，信息的安全傳輸?shù)貌坏奖ＷC。物 理層安全作為傳統(tǒng)加密算法的補充，從信息論的角度實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，已得到越來越 多的研究。隨著4G的商用，針對(FDM中繼系統(tǒng)的物理層安全的研究已愈來愈普遍。在現(xiàn) 有的OFDM中繼系統(tǒng)物理層安全文獻中，最普遍的方法是在頻域中添加人工噪聲、或者利用 協(xié)作節(jié)點來發(fā)送干擾噪聲來實現(xiàn)信息的安全傳輸，運種方法需要發(fā)送節(jié)點的天線多于目的 節(jié)點的天線、或者需要額外的幫助者。然而，對于一個所有節(jié)點都是單天線的OFDM中繼系 統(tǒng)，沒有額外的協(xié)作者幫助，前述的在頻域添加人工噪聲、協(xié)作干擾的方法并不可用。
[0004] 關(guān)于OFDM中繼系統(tǒng)的物理層安全的研究，國內(nèi)外方興未艾，已有研究例如， Maruifeng等利用收發(fā)雙方已知的碼本，旋轉(zhuǎn)各個子載波發(fā)射符號的相位，并且加入噪聲擾 動，避免竊聽者還原原始發(fā)送信息；鐘洲等從信道互異性條件出發(fā)，提出一種隨機子載波加 權(quán)的多載波加密算法，隨機選擇各個子載波上的加權(quán)系數(shù)擾亂竊聽者的接收信號，減少信 息的泄露；DerrickWingKwanNg等研究了中繼網(wǎng)絡(luò)場景中存在被動竊聽者和非理想CSI 時，OFDM譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的保密資源分配問題。據(jù)調(diào)研，目前還沒有文獻對OFDM放大 中繼系統(tǒng)中加入時域人工噪聲干擾竊聽者進行研究和討論。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)中的 物理層安全傳輸方法，該方法采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，基于源節(jié)點-中繼-目的節(jié)點的物理信 道，在源節(jié)點加入時域人工噪聲，該噪聲在不干擾目的節(jié)點的同時干擾外在竊聽節(jié)點，在源 節(jié)點功率和中繼節(jié)點功率限制條件下，優(yōu)化發(fā)送信號的功率與人工噪聲的協(xié)方差矩陣最大 化安全速率。
[0006] 為達到W上目的，本發(fā)明的技術(shù)方法為：
[0007] 包括W下步驟：
[0008] 1)在每次傳輸之前，源節(jié)點將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域信號，根據(jù)源節(jié)點和目的節(jié)點 估計源-中繼-目的之間的等效時域信道信息，結(jié)合已知的中繼采用的放大系數(shù)，源節(jié)點構(gòu) 造出時域信道噪聲，所述時域信道噪聲處于等效時域信道零空間中，源節(jié)點將時域信道噪 聲W及有用信號進行發(fā)送；
[0009] 2)中繼節(jié)點對所接收到的信號乘W放大系數(shù)后直接進行轉(zhuǎn)發(fā)；
[0010] 3)目的節(jié)點接收信號，獲取有用信號。
[0011] 2、如權(quán)利要求1所述的OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)中的物理層安全傳輸方法，其特征 在于，步驟3)后還包括步驟4):
[0012] 目的節(jié)點計算其與竊聽節(jié)點處的互信息量，得到安全速率表達式，在源節(jié)點和目 的節(jié)點功率限制條件下，對安全速率表達式進行求解，獲取最優(yōu)的有用信號發(fā)送功率與人 工噪聲協(xié)方差矩陣，源節(jié)點按照所獲取的最優(yōu)的有用信號發(fā)送功率與人工噪聲協(xié)方差矩 陣，對時域信道噪聲W及有用信號進行發(fā)送。
[0013] 所述步驟4)具體為：
[0014] 所述根據(jù)目的節(jié)點和竊聽節(jié)點接收到的信號，計算出互信息量，得到安全速率優(yōu) 化問題：
[0015]
議
[0016] 其中，Rs為安全速率，N為源節(jié)點發(fā)送符號個數(shù)，Xd為噪聲方差，PA為源節(jié)點處的 最大功率，Pi為第i個子載波上的信號功率。
[0017] 得到安全速率優(yōu)化問題之后，對問題進行求解，求解步驟如下所示：
[001引a)引進一個松弛變量ti替換Ce({Pi，SJ),得到
[0019] 鮮 巧含〇, ^^化：1:=1，，，，，苗
[0020] 其中，N為源節(jié)點發(fā)送符號個數(shù)，Sd為噪聲方差，P1為第i個子載波上的信號功 率，//,,=*^於咕孤^好他產(chǎn)衝)"代表第1個元素，巧左,為 =佛"巧心=餅蝴好中的第i個元素，靖為 巧=仍T好邸丑二鳳。各(好:，...，嗎_)中的第i個元素，皆二ffi戶斬W;.代表第 i個元素，錢巧心V代表第i個元素，Gf=f/iT馬州.馬gU代表第i個元素， Qf=ffR^H化U代表第i個元素，H代表信道增益向量，
為放大系數(shù)，Pk為中
繼節(jié)點處的發(fā)送功率。
[0021] b)用變量
分別替換 問題變?yōu)椋?br>[0022] P3:
m 持的 快) 巧 > 0，之dh()，/,>()，巧?，含（)，A含（)，/. = 1、...，W
[002引C)對（3a) (3b) (3c)立式我們采用ICA技術(shù)，P3問題變?yōu)椋?br>[0024] P4:
枉賄） (20b) 招Oc)
[0025] 其中，專為ti在第k次迭代所得到的解，巧為iii在第k次迭代所得到的解戶,為 Pi在第k次迭代所得到的解，兩;為Hli在第k次迭代所得到的解。
[0026] 經(jīng)過S步處理之后，原非凸問題Pl變?yōu)橥箚栴}P4,P4可用CVX工具箱進行求解， 得到最優(yōu)的信號發(fā)射功率和噪聲協(xié)方差矩陣。
[0027] 所述步驟1)中源節(jié)點構(gòu)造出時域信道噪聲具體包括W下步驟：
[0028] 步驟1 :源節(jié)點用IFFT將頻域信號轉(zhuǎn)化成時域信號，并加上內(nèi)容提供商CP ;
[002引步驟2 :源節(jié)點根據(jù)估計得到的源節(jié)點-中繼-目的節(jié)點的等效信道，構(gòu)造出所添 加的時域信道噪聲曰，即
[0030]a=Ud
[0031] U=n加U"U= 1.、"，d~CV(0,玄d)
[00礎(chǔ)其中，d~a/*佩乙d)是零均值，方差為Sd的復(fù)高斯隨機向量，墳""'二恥/心V]是 去CP矩陣，N為源節(jié)點發(fā)送符號個數(shù)，Ncp為循環(huán)前綴的長度，IW為N維單位向量，H為中 繼到目的節(jié)點的ToeplitZ信道矩陣，加權(quán)因子
.為放大系數(shù)，Pk為中繼節(jié)點處 的發(fā)送功率，Hak為源節(jié)點到中繼節(jié)點的Toeplitz信道矩陣，UH為為酉矩陣，Iwa為Nw維單 位向量；
[0033] 步驟3 :時域信道噪聲處于等效時域信道零空間中，源節(jié)點將時域信道噪聲W及 有用信號進行發(fā)送。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果為：
[0035] 本發(fā)明提供了一種OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)中的物理層安全傳輸方法，通過對源 節(jié)點構(gòu)造出時域信道噪聲，并且將時域信道噪聲處于等效時域信道零空間中，源節(jié)點將時 域信道噪聲W及有用信號進行發(fā)送，中繼節(jié)點對所接收到的信號乘W放大系數(shù)后直接進行 轉(zhuǎn)發(fā)，使得目的節(jié)點接收信號，獲取有用信號，該方案適合于OFDM單天線中繼系統(tǒng)中，克服 了頻域人工噪聲需要發(fā)送節(jié)點天線要多于接收者天線的困難，或需要協(xié)作節(jié)點幫助的缺 點。避免或減少了外在的竊聽節(jié)點竊聽的信息，且比無噪聲方案和目的節(jié)點協(xié)作方案的性 能好。
【附圖說明】
[0036] 圖1是(FDM中繼系統(tǒng)模型示意圖；
[0037] 圖2是竊聽節(jié)點靠近源節(jié)點處，該方案與目的節(jié)點協(xié)作方案和無噪聲方案的對比 曲線圖；
[0038] 圖3是竊聽節(jié)點靠近中繼節(jié)點處，該方案與目的節(jié)點協(xié)作方案和無噪聲方案的對 比曲線圖
[0039] 圖4是竊聽節(jié)點靠近目的節(jié)點處，該方案與目的節(jié)點協(xié)作方案和無噪聲方案的對 比曲線圖
[0040] 圖5是本發(fā)明的流程框圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0042] 本發(fā)明針對OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)提出一種抵抗外在竊聽節(jié)點竊聽的時域噪聲 設(shè)計方法，該方法采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，基于源節(jié)點-中繼-目的節(jié)點的物