本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于方向調(diào)制的多中繼協(xié)助安全精準(zhǔn)無線通信合成方法。

背景技術(shù)：

移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展為人們的工作、生活帶來了極大的便利，與此同時，伴隨而來的無線傳輸中的安全問題也愈發(fā)嚴(yán)重。除了傳統(tǒng)的上層加密技術(shù)，近年來，一種更為底層的安全傳輸技術(shù)——物理層安全傳輸技術(shù)引起了研究人員廣泛關(guān)注。物理層安全主要研究合法信道與竊聽信道之間的差異，目的是增強合法信道質(zhì)量的同時，降低竊聽信道的質(zhì)量，以此達(dá)到安全通信的目的。

方向調(diào)制作為一項新興的物理層安全技術(shù)，其特點是能夠?qū)⒂杏眯盘柊l(fā)送到指定的期望方向，保證期望接收機的正常通信，同時扭曲有用信號在其他方向上的星座圖，使得竊聽機無法恢復(fù)出有用信號。隨后，人工噪聲的概念被應(yīng)用到方向調(diào)制技術(shù)中，發(fā)射機在發(fā)送有用信號的同時發(fā)送人工噪聲，并且令發(fā)送的人工噪聲位于期望方向的零空間內(nèi)，使其對期望用戶的干擾為零，而對竊聽用戶的干擾更加強烈，進(jìn)一步保證了無線通信的安全性。傳統(tǒng)方向調(diào)制系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)期望方向上的安全通信，但均假設(shè)竊聽者位于期望方向之外的方向上，忽視了竊聽者可能會移動至期望方向上的情況，因而存在嚴(yán)重的安全隱患，相關(guān)問題亟待研究人員解決。

對于中繼的研究與應(yīng)用由來已久，中繼的加入有效地拓展了無線通信的覆蓋范圍、增強了無線通信的可靠性。隨著協(xié)助中繼與物理層安全結(jié)合研究的不斷深入，除了傳統(tǒng)的放大轉(zhuǎn)發(fā)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)等中繼協(xié)作策略，還出現(xiàn)了針對物理層安全通信的協(xié)作干擾和噪聲轉(zhuǎn)發(fā)等策略，運用這些策略，可以克服傳統(tǒng)信道條件的限制，在安全速率以及發(fā)射功效方面明顯提升系統(tǒng)的性能。由此本發(fā)明引入多中繼協(xié)助通信，以實現(xiàn)針對期望位置的安全精準(zhǔn)無線通信。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于方向調(diào)制的多中繼協(xié)助安全精準(zhǔn)無線通信合成方法，將傳統(tǒng)方向調(diào)制發(fā)射機作為中繼使用，多個方向調(diào)制中繼構(gòu)成中繼組，每個中繼對接收到的源信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且在發(fā)送有用信號的同時加入人工噪聲，使有用信號沿期望方向發(fā)送至期望位置，并在期望位置處匯聚，最大化期望接收機的接收信噪比；而人工噪聲在期望方向以外的區(qū)域相互疊加，并且覆蓋中繼到期望位置的路徑及其延長線，即對傳統(tǒng)方向調(diào)制中存在安全隱患的區(qū)域進(jìn)行干擾，實現(xiàn)期望位置的安全精準(zhǔn)無線通信。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括：每個方向調(diào)制中繼均配置均勻線性陣列天線，并且具備收發(fā)信號的能力，工作在全雙工模式，以譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的形式進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)；對于單個中繼而言，定義其指向期望位置的方向為相應(yīng)的期望方向；每個中繼根據(jù)自身的期望方向，利用最大化信泄噪比準(zhǔn)則或者正交投影法計算有用信號波束成形向量和人工噪聲投影矩陣，使得陣列天線發(fā)送的有用信號的主瓣指向期望方向，即對準(zhǔn)期望位置。

進(jìn)一步地，具體過程包括：s1.在第一個時隙中，源發(fā)射機將有用信號發(fā)送給方向調(diào)制中繼組，所有中繼接收到有用信號后先對其進(jìn)行譯碼，然后對譯碼信號在編碼，用于第二個時隙的轉(zhuǎn)發(fā)；s2.考慮兩種應(yīng)用場景分別設(shè)計有用信號波束成形向量與人工噪聲投影矩陣：1)當(dāng)竊聽者位置信息已知時，利用最大化信泄噪比準(zhǔn)則，使有用信號在期望位置的能量最大化，同時使人工噪聲在竊聽位置的能量最大化；2)當(dāng)竊聽角位置信息未知時，利用正交投影法，使期望位置獲得最大的接收信噪比，同時人工噪聲位于期望方向?qū)蛳蛄康牧憧臻g，即陣列天線發(fā)送的人工噪聲在期望位置處形成“零陷”；s3.在第二個時隙中，每個中繼根據(jù)s2中計算相應(yīng)的有用信號波束成形向量以及人工噪聲投影矩陣，將第一個時隙中經(jīng)過再編碼的有用信號與隨機產(chǎn)生的人工噪聲信號一同發(fā)射出去。

進(jìn)一步地，當(dāng)竊聽位置信息已知，利用最大化信泄噪比準(zhǔn)設(shè)計有用信號波束成形向量時，將有用信號發(fā)送到期望位置處的能量與泄漏到竊聽位置的能量之比最大化；設(shè)計人工噪聲投影矩陣時，將人工噪聲看作是發(fā)送給竊聽用戶的有用信號，被期望用戶接收到的人工噪聲視為泄漏，使人工噪聲在竊聽位置處的能量與泄漏到期望位置處的能量之比最大化。

進(jìn)一步地，當(dāng)竊聽位置信息未知，利用正交投影法設(shè)計有用信號波束成形向量時，基于最大合并比準(zhǔn)則，使有用信號在期望位置處獲得最大的信噪比；設(shè)計人工噪聲投影矩陣時，目的是為了讓發(fā)送的人工噪聲位于期望方向?qū)蛳蛄康牧憧臻g中，如此，人工噪聲便不會對期望位置造成干擾，而僅僅對期望位置以外的區(qū)域進(jìn)行干擾，同時為了進(jìn)一步增強干擾能力，利用隨機向量使得發(fā)送的人工噪聲在期望方向?qū)蛳蛄康牧憧臻g中更新，以實現(xiàn)動態(tài)干擾。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明提出的方法可以實現(xiàn)有效通信范圍內(nèi)指定期望位置的安全精準(zhǔn)無線通信，并且可以在竊聽者位置信息已知和未知的情況下，分別進(jìn)行針對特定竊聽位置的局部增強干擾和非安全區(qū)域的全面干擾，即保證有效通信范圍內(nèi)只有期望位置處的接收機可以正確接收并恢復(fù)出有用信號；而其余位置上的竊聽者，包括位于各個中繼期望方向路徑上的竊聽機，由于身處人工噪聲的疊加覆蓋范圍內(nèi)，受到人工噪聲的干擾，導(dǎo)致無法恢復(fù)出有用信號。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

圖1示出了一種基于方向調(diào)制的多中繼協(xié)助安全精準(zhǔn)無線通信合成方法實現(xiàn)流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

考慮一個四節(jié)點竊聽信道模型，其中s、d和e分別表示源節(jié)點、目的節(jié)點和竊聽節(jié)點，均配置單根天線。{r1,...,rm,...,rm}表示m個中繼節(jié)點，每個中繼配置相同的n陣元線性陣列天線。表示源節(jié)點與第m個中繼節(jié)點之間的信道向量，表示第m個中繼節(jié)點與目的節(jié)點間的信道向量，表示第m個中繼節(jié)點與竊聽節(jié)點間的信道向量。由于路徑損耗等原因，故不考慮源節(jié)點s與目的節(jié)點d以及竊聽節(jié)點e間的直達(dá)信道，符合中繼使用場景。每個中繼均配置了n元線性天線陣，所以每個中繼可作為獨立的方向調(diào)制發(fā)射機工作。和分別表示第m個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的期望方向和距離，類似地，和分別表示第m個中繼節(jié)點到竊聽節(jié)點的竊聽方向和距離。考慮自由空間路徑衰減模型，第m個中繼節(jié)點到目的節(jié)點的向量可以表示為

其中

其中l(wèi)和λ分別表示陣列天線相鄰兩陣元的間隔以及發(fā)射的載波信號的波長。類似地，和同樣可以由式(1)和(2)得到。

假設(shè)所有中繼節(jié)點均工作在半雙工模式，且采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)信號，因此信息傳輸過程包含兩個時隙。在第一個時隙中，源節(jié)點s將編碼后的符號信號x(滿足)發(fā)送給m個中繼，第m個中繼接收到的信號向量為

其中

表示從源發(fā)射機到第m個中繼節(jié)點的路徑衰減因子，β表示發(fā)送信號單位距離的衰減量，c表示路徑衰減指數(shù)，ps表示源發(fā)射機的發(fā)射功率，表示第m個中繼接收機的加性復(fù)高斯白噪聲向量，服從分布。

假設(shè)所有中繼均成功解碼源發(fā)射機發(fā)射的符號x，則在第二個時隙中，m個中繼將重新編碼后的符號x與人工噪聲共同發(fā)送出去。第m個中繼發(fā)送的有用信號的波束成形向量記為vm，人工噪聲投影矩陣及其相應(yīng)的隨機人工噪聲向量分別記為和zm，由此，第m個中繼發(fā)送的基帶信號可以表示為

其中αm為功率分配因子，滿足0＜αm＜1，表示第m個中繼的發(fā)射功率。因此整個系統(tǒng)的總發(fā)射功率p0表示為

m個中繼發(fā)送的信號經(jīng)過los信道，在目的節(jié)點處的接收信號為

其中nd表示目的節(jié)點的接收機噪聲，服從分布。而被竊聽者接收到的信號為

其中竊聽者接收機噪聲ne服從分布。

由式(3)可得第m個中繼接收速率為

由式(7)和(8)可得目的節(jié)點接收速率為

其中

竊聽節(jié)點接收速率為

其中

因此整個系統(tǒng)的速率可以表示為

假設(shè)則整個系統(tǒng)的速率由第二個時隙的期望接收機速率決定，可進(jìn)一步定義系統(tǒng)的安全速率為

rsec＝max[0,rd-re](15)

安全速率可作為衡量系統(tǒng)安全性能的重要指標(biāo)。

本發(fā)明所提安全精準(zhǔn)無線通信合成方法包括有用信號波束成形向量設(shè)計和人工噪聲投影矩陣設(shè)計。當(dāng)可以獲得竊聽者位置信息的情況下，利用泄漏概念對竊聽者進(jìn)行針對性干擾。對于第m個中繼發(fā)送的有用信號，其在期望位置處的能量為

而泄漏到竊聽位置的有用信號能量為

由式(16)和(17)可以定義相應(yīng)的有用信號信泄噪比

根據(jù)最大化信泄噪比準(zhǔn)則以及rayleigh-ritz定理可以求得最優(yōu)的vm為矩陣

的最大特征值所對應(yīng)的歸一化特征向量。

對于第m個中繼發(fā)送的人工噪聲，可以將其看作是對竊聽者發(fā)送的有用信號，其在竊聽位置處的能量為

而泄漏到期望位置的人工噪聲信號能量為

由式(20)和(21)可定義相應(yīng)的人工噪聲信泄噪比

根據(jù)最大化信泄噪比準(zhǔn)則以及rayleigh-ritz定理可以求得的列向量由矩陣

的n-1個最大特征值所對應(yīng)的特征向量組成，且滿足歸一化條件

當(dāng)竊聽者位置信息未知時，僅僅針對期望用戶的接收速率進(jìn)行優(yōu)化，即

又由于vm和是相互獨立的，因此式(24)的優(yōu)化問題可以分解為

和

根據(jù)前述內(nèi)容，每個中繼可以作為一個獨立的方向調(diào)制發(fā)射機工作，因此，當(dāng)式(25)中的求和表達(dá)式中的每一個元素都取得最大值時，整個求和表達(dá)式便取得最大值，則第m個中繼發(fā)送有用信號的波束成形向量為

同理，式(26)中的求和表達(dá)式的每一個元素都取得最小值時，整個求和表達(dá)式便取得最小值，則根據(jù)傳統(tǒng)正交投影法可得第m個中繼發(fā)送有用信號的人工噪聲投影矩陣為

式(27)和(28)基于傳統(tǒng)的正交投影法，在不考慮竊聽者位置信息的情況下，完成了每個中繼的有用信號波束成形向量設(shè)計和人工噪聲投影矩陣設(shè)計。