[发明专利]基于零空间增强物理层安全的协作波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及无线中继网络中存在多个窃听者且各中继节点具有自身功率约束时，协作波束成形方法，可用于下一代宽带无线协作通信系统中增强物理层安全。

背景技术

为了满足3GPP长期演进LTE高数据率和高系统容量的要求，多输入多输出MIMO技术被广泛应用于LTE的上下行系统中。MIMO技术可以充分利用收发设备上由多天线带来的除了时间、频率分集之外的空间分集，有效改善接收信号的质量并提高数据传输速率。而对于单天线设备，协作中继技术的引入为MIMO的应用铺平了道路，本质上协作中继技术可以视为一种虚拟的MIMO。因此，可以将MIMO系统中的许多技术扩展到协作中继系统中来同时获得空间分集和复用增益。其中，协作波束成形作为一项重要技术得到了广泛研究。它的基本思想是通过调整中继转发信号的复权值，即分布式波束成形权向量，形成一个对准接收端的虚拟波束，进而提高信噪比、系统容量或覆盖范围。

另外，随着LTE系统的逐步应用与发展，其通信系统的融合化、信息传输速率的高速化使得传统的链路层安全算法在LTE中遇到了很大的挑战。而物理层安全技术，以其不依赖上层数据加密而提供安全可靠通信而备受关注。传统MIMO及分布式MIMO技术均可利用多天线带来的空间自由度，有效削弱窃听者对机密信息的拦截。其中，协作波束成形已被证明是增强物理层安全的一种有效方法，它通过合理选择波束成形的权向量来最大化系统的安全传输速率。

对于采用放大转发AF协议的无线中继网络，L.Dong等人在“Improving wireless physical layer security via cooperative relays”（IEEE Trans.Signal Process.，vol.58,no.3,pp.1875-1888,Mar.2010）中提出了一种基于零空间增强物理层安全的协作波束成形方案，但该方案只考虑了中继总功率的约束，而在实际中每个中继可能都有自身的功率约束。为此，针对各中继自身功率有约束的情况，J.Zhang等人在“Relay beamforming strategies for physical-layer security（in Proc.44^th Conference on Information Sciences and Systems,Princeton,Mar.2010,pp.1-6）”中提出了一种迭代算法来进行协作波束成形权向量的设计。但该算法仅适用于网络中存在单个窃听者的情况，而难以应用于下一代宽带无线协作通信系统中具有多个窃听者的情况。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于零空间增强物理层安全的协作波束形成方法，以在中继网络中存在多个窃听节点且各中继节点满足自身功率约束的条件下，有效提升系统的安全速率。

为实现上述目的，本发明具体步骤包括如下：

1）协作中继在两阶段进行传输：

1a）在第一阶段，源节点向所有的中继节点广播机密信息，中继节点接收的信号为y_r；

1b）在第二阶段，中继节点对接收到的信号y_r进行加权处理，得到待转发的信号x_r(w)=D(y_r)w，其中w为需要设计的中继波束成形权向量，D(·)表示将向量变换成对角矩阵；

1c）目的节点和窃听节点接收中继转发来的信号，记目的节点接收的信号为y_d(w)，记第j个窃听节点接收的信号为y_e,j(w)，E表示含有所有窃听节点的集合，M表示窃听节点的个数；

2）根据上述接收信号y_d(w)和y_e,j(w)，计算目的节点的接收信噪比γ_d(w)和第j个窃听节点的接收信噪比γ_e,j(w)；