CN105163310A - 双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，包括：1)估计信道信息，用户节点A和用户节点B从旋转后的星座中选取出携带信息的符号，再通过注入人工噪声构造复合信号，然后根据估计出来的信道信息对复合信号进行相位预补偿，得用户节点A待发送的复合信号S_A及用户节点B待发送的复合信号S_B，同时以发射功率P分别将待发送的复合信号S_A及待发送的复合信号S_B；2)中继接收用户节点A及用户节点B发送过来的信号，得混合信号y_R；3)中继得到的混合信号进行放大后广播给用户节点A及用户节点B；4)用户节点A及用户节点B进行信号的检测。本发明能够有效的对抗不可信中继的窃听行为。

Description

双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法。

背景技术

过去几年，双向协作网络由于频谱效率高的优势受到了广泛的关注。然而现有的工作大多只关注增强通信可靠性的技术，比如网络编码、中继路由和波束成型设计等，很少从物理层的角度涉及双向中继***中的安全问题。

目前，对双向中继***中不可信中继问题的研究主要涉及高斯窃听信道中的可实现私密速率、协作中继和干扰机的选择策略以及波束成型和人工噪声的联合设计等，这些方案大多假设窃听者是网络之外的独立个体，然而在一些应用场景中，中继本身可能是不可信的，它既是通信过程的协助者，同时还是潜在的窃听者。例如，在一些应用场景中，中继与终端用户具有不同的信息访问权限，信道中的信息需要对其保持私密。针对上述问题，研究一种对抗不可信中继窃听行为的安全传输方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，该方法能够有效的对抗不可信中继的窃听行为。

为达到上述目的，本发明所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法包括以下步骤：

1)估计信道信息，用户节点A和用户节点B从旋转后的星座中选取出携带信息的符号，再通过注入人工噪声构造复合信号，然后根据估计出来的信道信息对复合信号进行相位预补偿，得用户节点A待发送的复合信号S_A及用户节点B待发送的复合信号S_B，用户节点A及用户节点B同时以发射功率P分别将待发送的复合信号S_A及待发送的复合信号S_B转发至中继；

2)中继接收用户节点A及用户节点B发送过来的信号，得混合信号y_R,其中，

其中，h_AR和h_BR分别为对用户节点A及用户节点B对应的复合信号进行的预补偿相位，x_A和w_A分别为用户节点A对应的携带信息的符号以及对其引入的人工噪声，x_B和w_B分别为用户节点B对应的携带信息的符号及对其引入的人工噪声，n_R为中继节点的加性噪声；

3)中继得到的混合信号进行放大后广播给用户节点A及用户节点B；

4)用户节点A及用户节点B进行信号的检测。

用户节点A发送的待发送的复合信号S_A的表达式为：

其中，为用户节点A从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

用户节点B发送的待发送的复合信号S_B的表达式为：

其中，为用户节点B从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

步骤3)的具体操作为：

中继得到的混合信号进行放大，得广播信号S_R，然后将所述广播信号S_R广播给用户节点A及用户节点B，其中，

其中，α为能量归一化系数。

步骤4)中用户节点A及用户节点B基于最大似然准则进行信号的检测。

用户节点A和用户节点B首先对采用的信号星座进行旋转，设x₀属于原始星座集内的符号，则x₀旋转之后的符号x＝e^jθx₀，旋转角度θ满足：

根据最优化星座旋转角度，其中， 和x_A都是取自旋转后星座的复星座点。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法在信息传输的过程中，用户节点A和用户节点B通过星座旋转将一个二维的复信号用一个维度表示，不同用户在互相正交的维度上发送信息，而利用剩下的一个维度发送人工噪声，结果使得中继接收信号的信干噪比严重恶化，进而人为制造了误码平台，增加了窃听难度，确保了信息的安全传输，有效的对抗不可信中继的窃听行为，提高信息传输的安全性。本发明与已有的基于密钥反馈的安全传输方案相比，无需在收发双方之间进行必要的密钥协商或者预共享操作，***的资源消耗较低，安全性较高。

附图说明

图1为本发明中双向中继***的原理图；

图2为本发明中用户节点A的误符号率仿真图；

图3为本发明中中继节点窃听用户A信息的误符号率仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法包括以下步骤：

1)估计信道信息，用户节点A和用户节点B从旋转后的星座中选取出携带信息的符号，再通过注入人工噪声构造复合信号，然后根据估计出来的信道信息对复合信号进行相位预补偿，得用户节点A待发送的复合信号S_A及用户节点B待发送的复合信号S_B，用户节点A及用户节点B同时以发射功率P分别将待发送的复合信号S_A及待发送的复合信号S_B转发至中继；

2)中继接收用户节点A及用户节点B发送过来的信号，得混合信号y_R,其中，

其中，h_AB和h_BR分别为对用户节点A及用户节点B对应的复合信号进行的预补偿相位，x_A和w_A分别为用户节点A对应的携带信息的符号以及对其引入的人工噪声，x_B和w_B分别为用户节点B对应的携带信息的符号及对其引入的人工噪声，n_R为中继节点的加性噪声；

3)中继得到的混合信号进行放大后广播给用户节点A及用户节点B；

4)用户节点A及用户节点B进行信号的检测。

用户节点A发送的待发送的复合信号S_A的表达式为：

其中，为用户节点A从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

用户节点B发送的待发送的复合信号S_B的表达式为：

其中，为用户节点B从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

步骤3)的具体操作为：

中继得到的混合信号进行放大，得广播信号S_R，然后将所述广播信号S_R广播给用户节点A及用户节点B，其中，

其中，α为能量归一化系数。

步骤4)中用户节点A及用户节点B基于最大似然准则进行信号的检测。

用户节点A和用户节点B首先对采用的信号星座进行旋转，设x₀属于原始星座集内的符号，则x₀旋转之后的符号x＝e^jθx₀，旋转角度θ满足：

根据最优化星座旋转角度，其中， 和x_A都是取自旋转后星座的复星座点。

需要说明的是，用户节点A及用户节点B接收到广播信号之后，用户节点A和用户节点B基于最大似然准则进行信号检测，用户节点A和用户节点B首先对接收到的广播信号进行匹配滤波，然后提取实部或虚部并做自干扰消除，最后对处理过的信号进行抽样判决。以用户节点B的信号检测过程为例进行说明如下：

用户B在接收到广播信号y_B之后进行匹配滤波，处理后的信号形式为

通过提取虚部并做自干扰消除得到用于抽样判决的信号为：

然后基于最大似然准则准确估计出完成信号检测。

以中继窃听用户节点A的信息为例，为了获得用户节点A发送的信息，中继需要提取y_R的实部并做最大似然检测来获得因为和x_A之间是一一映射关系，所以可以根据估计出x_A，定义平均信噪比定义其中，i，j∈{A，B，R}，中继解码用户节点A的信息时信干比SINR可以由以下公式计算。

${\mathrm{\γ}}_R^{\left(A\right)}=\frac{{\left|h_{AR}\right|}^{2}P/2}{N_0/2+{\left|h_{BR}\right|}^{2}P/2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{AR}}{1+{\mathrm{\ρ}}_{BR}}$

同样的，中继也可以提取y_R的虚部来获得相应的SINR为

${\mathrm{\γ}}_R^{\left(B\right)}=\frac{{\left|h_{BR}\right|}^{2}P/2}{N_0/2+{\left|h_{AR}\right|}^{2}P/2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{BR}}{1+{\mathrm{\ρ}}_{AR}}.$

随着SNR的增大，的分子和分母同时增加，当SNR足够大时，将趋近于一个常量，因此，中继解码用户节点A的信息时误码率就不会随着SNR的提高而迅速减小，形成误码平台。以上结果表明，本方案有效地恶化了中继解码的信干比，成功地创造了误码平台，进而增强了信息的私密性。

下面对用户的信号检测的误符号率进行分析，

由可以得到，信号经由链路A→B之后的信干比SINR为

${\mathrm{\γ}}^{(A\→B)}=\frac{P^2{\left|h_{AR}\right|}^2{\left|h_{BR}\right|}^2}{2P{\left|h_{BR}\right|}^2{N}_0+P{\left|h_{AR}\right|}^2{N}_0+N_0^2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{AR}{\mathrm{\ρ}}_{BR}}{{\mathrm{\ρ}}_{AR}+2{\mathrm{\ρ}}_{BR}+1}$

其中，γ^(A→B)的表达式中分子是关于ρ_AR和ρ_BR的二次式，而分母是一次式，当SNR的增大时，ρ_AR和ρ_BR随着增大，γ^(A→B)分子的增加快于分母，因此，γ^(A→B)会随着SNR的增加而快速增大，因此用户节点B在解码时，误符号率会随着SNR的增加而快速减小，从而保证了信息的可靠传输，对用户A的分析与此类似。

下面对步骤1中最佳星座旋转角度的确定准则作如下说明。

首先推导链路A→B的SER表达式，原始星座记作它的基数记作那么旋转之后的星座记作链路A→B的端到端SER上界表示为：

对于每个都以相同的概率被发送，为假设星座中只包含x_A和时，x_A被发送却译码为的成对错误概率PEP，基于二元假设检验的相关结论，在连续信道增益条件下的条件成对错误概率为

$\mathrm{Pr}\{x_A\→\widehat{x_A}|h_{AR},h_{BR}\}=Q\left(\sqrt{\frac{d_{A,\hat{A}}^2{\mathrm{\γ}}^{(A\→B)}}{4}}\right)$

其中，Q(x)是高斯互补累积分布函数，且γ(A→B)的下界为

${\mathrm{\γ}}^{(A\→B)}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2+1}\stackrel{\left(a\right)}{\≥}\frac{1}{2}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2}-\frac{1}{4})\≥\frac{1}{4}min({\mathrm{\ρ}}_1,{\mathrm{\ρ}}_2)-\frac{1}{8}$

其中，ρ₁＝ρ_AB，ρ₂＝2ρ_BR，由于Q(x)是单调减函数，所以PEP的上界可以写作

$\mathrm{Pr}\{x_A\→\widehat{x_A}|h_{AR},h_{BR}\}\≤Q\left(\sqrt{\frac{d_{A,\hat{A}}^2(\frac{1}{4}\mathrm{\ρ}-\frac{1}{8})}{4}}\right)$

其中，ρ＝min(ρ₁，ρ₂)，对于给定的信道模型，随机变量ρ服从参数为的指数分布，通过对变量ρ求平均，得到PEP上界为

$\begin{array}{c}\mathrm{Pr}\{x_A\→\widehat{x_A}\}\≤{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}Q\left(\sqrt{\frac{d_{A,\hat{A}}^2\left(\frac{1}{4}t-\frac{1}{8}\right)}{4}}\right)f_{\mathrm{\ρ}}\left(t\right)dt\\ =\frac{1}{2}{e}^{-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}\[1-\frac{1}{\sqrt{\frac{32\mathrm{\λ}}{d_{A,\hat{A}}^2}+1}}\]\≤\frac{1}{2}{e}^{-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}\[1-\frac{1}{\sqrt{\frac{32\mathrm{\λ}}{d_{\min }^2}+1}}\]\end{array}$

其中，f_ρ(t)为ρ的概率密度函数。

将上式带入P_e的表达式，可以得到链路A→B的端到端误符号率SER上界为

因此为了最优化***的误码性能，应使任意两个旋转之后的星座点实部之间的最小距离最大化，即

${\mathrm{\θ}}^{*}=\underset{\mathrm{\θ}\∈(0,\mathrm{\π})}{\arg \max }{d}_{\min }$

由上述可知，最佳星座旋转角度只取决于具体的调制方式，与信道信息无关，因此不存在实现复杂度问题。

Claims (6)

1.一种双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)估计信道信息，用户节点A和用户节点B从旋转后的星座中选取出携带信息的符号，再通过注入人工噪声构造复合信号，然后根据估计出来的信道信息对复合信号进行相位预补偿，得用户节点A待发送的复合信号S_A及用户节点B待发送的复合信号S_B，用户节点A及用户节点B同时以发射功率P分别将待发送的复合信号S_A及待发送的复合信号S_B转发至中继；

2)中继接收用户节点A及用户节点B发送过来的信号，得混合信号y_R,其中，

其中，h_AR和h_BR分别为对用户节点A及用户节点B对应的复合信号进行的预补偿相位，x_A和w_A分别为用户节点A对应的携带信息的符号以及对其引入的人工噪声，x_B和w_B分别为用户节点B对应的携带信息的符号及对其引入的人工噪声，n_R为中继节点的加性噪声；

3)中继得到的混合信号进行放大后广播给用户节点A及用户节点B；

4)用户节点A及用户节点B进行信号的检测。

2.根据权利要求1所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，用户节点A发送的待发送的复合信号S_A的表达式为：

其中，为用户节点A从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

3.根据权利要求1所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，用户节点B发送的待发送的复合信号S_B的表达式为：

其中，为用户节点B从旋转后的星座中选取出的携带信息的符号的实部。

4.根据权利要求1所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，步骤3)的具体操作为：

中继得到的混合信号进行放大，得广播信号S_R，然后将所述广播信号S_R广播给用户节点A及用户节点B，其中，

其中，α为能量归一化系数。

5.根据权利要求1所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，步骤4)中用户节点A及用户节点B基于最大似然准则进行信号的检测。

6.根据权利要求1所述的双向中继***中星座旋转辅助的无线物理层安全传输方法，其特征在于，

用户节点A和用户节点B首先对采用的信号星座进行旋转，设x₀属于原始星座集内的符号，则x₀旋转之后的符号x＝e^jθx₀，旋转角度θ满足：

根据最优化星座旋转角度，其中， 和x_A都是取自旋转后星座的复星座点。