一種在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對用戶間的安全通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種安全通信方法，具體涉及一種在雙向中繼網(wǎng) 絡(luò)中多對用戶間的安全通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線信道固有的開放性加快了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，但是也使其容易受到惡 意的攻擊。目前，在無線通信系統(tǒng)中QoS需求如吞吐量和延遲，隱私和安全引起了廣泛的關(guān) 注。在安全通信領(lǐng)域，物理層安全作為一種新的提高安全性能的方法得到了廣泛的關(guān)注。與 傳統(tǒng)的高速率安全通信方案相比，在多個(gè)分布式通信單元中，物理層安全具有較小的系統(tǒng) 開銷、簡單的協(xié)議棧和較低的復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)。另外，現(xiàn)存的研宄表明分布式中繼節(jié)點(diǎn)間的協(xié) 作可以顯著地提高系統(tǒng)的安全性能。
[0003] 目前，關(guān)于物理層安全的研宄主要集中在單向中繼網(wǎng)絡(luò)中，把安全容量作為評價(jià) 物理層安全的一項(xiàng)準(zhǔn)則。在源節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)的一條鏈路中，存在一個(gè)或多個(gè)竊聽者，可以 采用節(jié)點(diǎn)間協(xié)作提高系統(tǒng)的安全性能。基于協(xié)作波束賦形，與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF)相比，放大轉(zhuǎn) 發(fā)（AF)的應(yīng)用復(fù)雜度較小。研宄者在具有一個(gè)竊聽者的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中提出了一種機(jī)會中繼 和干擾噪聲的方案，其中系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是單天線的。另外，研宄者提出了一種次優(yōu)的 安全通信方案，其系統(tǒng)模型是一個(gè)兩跳的多輸入多輸出（MIMO)無線中繼網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配 有多根天線。為了提高安全通信的性能，研宄者提出了兩種方案，即安全速率最大化波束賦 形和零空間波束賦形。另外，研宄者在AF網(wǎng)絡(luò)中提出了一種聯(lián)合波束賦形和干擾噪聲的方 案，該方案具有較小的復(fù)雜度。但是以上的研宄主要集中在單向中繼網(wǎng)絡(luò)中。
[0004] 隨著安全通信的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)場景擴(kuò)展到了雙向中繼網(wǎng)絡(luò)。在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中，研宄 者提出了兩種次優(yōu)的安全通信方案，一種是當(dāng)已知竊聽者的信道狀態(tài)信息（CSI)時(shí)的零空 間協(xié)作波束賦形；一種是當(dāng)未知竊聽者的CSI時(shí)的干擾噪聲方案。另外，研宄者設(shè)計(jì)了最優(yōu) 的零空間波束賦形和源節(jié)點(diǎn)傳輸功率控制的安全通信的一般方法，而且該方法的目標(biāo)函數(shù) 為安全和速率。此外，研宄者在雙向AF中繼網(wǎng)絡(luò)中提出了一種次優(yōu)的協(xié)作波束賦形（CB) 和干擾噪聲（AN)的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案。在三階段雙向中繼系統(tǒng)中提出了一種采用協(xié)作干擾方 法增強(qiáng)安全通信的方案，然而，三階段雙向中繼在一定程度上會減小頻譜效率，而且所提的 算法是最小化每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的干擾信號功率。以上的研宄都是關(guān)于一對正當(dāng)用戶的安全通 信，在數(shù)據(jù)傳輸中不存在用戶對間的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中通常會存在多于 一對正當(dāng)用戶的情況。研宄者在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中考慮了存在一個(gè)友好的干擾源情況下的多 對用戶間的安全通信，但是該系統(tǒng)中假設(shè)源節(jié)點(diǎn)已知干擾信號的信息，因此過于理想化。另 外，該研宄是通過有效分配干擾源的功率提高物理層安全的。
[0005] 綜上所述，在雙向中繼系統(tǒng)中，關(guān)于多對用戶的安全問題的研宄是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對 用戶間的安全通信方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對用戶間的安全通信，并且性 能穩(wěn)定、收斂速度快。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對用戶間的安全通信方法包 括以下步驟：
[0008] 設(shè)在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中有K對用戶通過一組可信賴的中繼Rn進(jìn)行相互通信，每對用 戶間沒有直接的鏈路，每個(gè)用戶只期望接收相應(yīng)用戶發(fā)送的信息，且雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中存在 竊聽者Em，用戶、中繼及竊聽者均為單天線及半雙工的，中繼之間、竊聽者之間均為相互獨(dú) 立的，其中，n= 1，2,. . .，N，m= 1，2,. . .，M，N為雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中中繼的總數(shù)，M為竊聽者 的總數(shù)，得竊聽者Em處的可達(dá)信息速率、以及第k對用戶中的兩個(gè)用戶的可達(dá)信息速率 分別為iZTl4及;
[0009] 設(shè)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總的可達(dá)安全和速率Rsum為每對用戶的最大可達(dá)安全速率的和， 其中
[0015] 其中，？為中繼處經(jīng)過波束賦形和加入干擾噪聲后信號向量，餞 是第n個(gè)中繼的功率，Pk是中繼處的總功率控制，Pk是第k個(gè)用戶的發(fā)射功率， 從=￡^([叫>;,...,<])為波束賦形矩陣，[]1^表示矩陣的第（ 11，11)個(gè)元素4{}表示求期 望，2為人工噪聲的協(xié)方差矩陣；
[0016] 然后求解所述單個(gè)中繼功率控制的優(yōu)化問題P1，得雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總的最優(yōu)可達(dá)安 全和速率，然后根據(jù)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總的最優(yōu)可達(dá)安全和速率進(jìn)行通信。
[0017] 第k對用戶中的兩個(gè)用戶的可達(dá)信息速率分別為仏P1及、,的表達(dá)式為：

第k對用戶處的接收信號的噪聲方差，fti為第2k-l個(gè)用戶到中繼的信道向量，f2k為第2k個(gè)用戶到中繼的信道向量，為中繼處接收信號的噪聲方差。
[0021] 竊聽者Em處的可達(dá)信息速率仏為：
接收信號的噪聲方差，hm為第m個(gè)竊聽者到中繼的信道向量，，g為第2k個(gè)用戶到第m個(gè) 竊聽者的信道系數(shù)，g21^m為第2k-l個(gè)用戶到第m個(gè)竊聽者的信道系數(shù)，識(）表示復(fù)數(shù)的實(shí) 部。
[0026] 求解所述單個(gè)中繼功率控制的優(yōu)化問題Pl的具體操作為：
[0027]由單個(gè)中繼功率控制的優(yōu)化問題P1得優(yōu)化問題P6，其中優(yōu)化問題P6為：
[0030] 然后由于優(yōu)化問題P6為半正定規(guī)劃問題，求解優(yōu)化問題P6,得雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總的 最優(yōu)可達(dá)安全和速率。
[0031] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0032] 本發(fā)明所述的在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對用戶間的安全通信方法在進(jìn)行通信的過程 中，先獲取單對用戶的可達(dá)安全和速率，根據(jù)單對用戶的可達(dá)安全和速率得到整個(gè)雙向中 繼網(wǎng)絡(luò)總的可達(dá)安全和速率，然后通過優(yōu)化的方法得到雙向中繼網(wǎng)絡(luò)總的最優(yōu)可達(dá)安全和 速率，從而實(shí)現(xiàn)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的安全通信，本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比系統(tǒng)的安全和速率較 好，系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性得到大幅的提高，同時(shí)系統(tǒng)收斂速度快。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明中多對用戶的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型示意圖；
[0034] 圖2為不同中繼功率Pk時(shí)的安全和速率示意圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明中K= 2時(shí)安全和速率隨迭代次數(shù)的變化示意圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明中不同用戶對K時(shí)的安全和速率示意圖；
[0037] 圖5為本發(fā)明中不同竊聽者數(shù)M時(shí)的安全和速率示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0039] 參考圖1，本發(fā)明所述的在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中多對用戶間的安全通信方法包括以下 步驟：
[0040] 設(shè)在雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中由K對正當(dāng)?shù)挠脩敉ㄟ^一組可信賴的中繼Rn?行相互通信， 每對用戶間沒有直接的鏈路，并且每個(gè)用戶只期望接收相應(yīng)用戶發(fā)送的信息，且雙向中繼 網(wǎng)絡(luò)中存在竊聽者Em，用戶、中繼及竊聽者均為單天線及半雙工的，并且中繼之間、竊聽者 之間均為相互獨(dú)立的，其中，n= 1,2，...，N，m= 1,2，...，M，N為雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中中繼的總 數(shù)，M為竊聽者的總數(shù)，第k個(gè)用戶到中繼的信道向量表示為fkeCN，第k個(gè)用戶到竊聽者 的信道向量表示為gkeCN，hmeCn表示第m個(gè)竊聽者到中繼的信道向量；
[0041] 信息傳輸分為兩個(gè)時(shí)隙，在時(shí)隙1，所有用戶同時(shí)向中繼發(fā)送信息，中繼處的接收 信號向量r為
[0043] 其中，Pk為第k個(gè)用戶的發(fā)射功率；sk為第k個(gè)用戶的發(fā)送符號，并且E[Isk 12]= 1;?為中繼處服從均值為零的循環(huán)復(fù)高斯噪聲，且I1^jNXN的單位陣， 第m個(gè)竊聽者處的接收信