[发明专利]一种基于协作干扰的防窃听最优安全传输方法

权利要求书

1.一种基于协作干扰的防窃听最优安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.发射源端Alice在合作干扰机Oscar的协助下向合法接收端Bob发送机密消息，同时发射源端Alice和信号干扰机Oscar产生干扰信号，实现对单天线窃听端Eve的干扰，并建立协作干扰通信模型；

S2.根据协作干扰通信模型，在满足保密中断约束的条件下，实现最优的功率分配，确定安全传输方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于协作干扰的防窃听最优安全传输方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.合法接收端Bob分别向发射源端Alice和协作干扰机Oscar发送导频信号,发射源端Alice包含N_A个天线，N_A＞1；协作干扰机Oscar包含N_O个天线，N_O＞1；发射源端Alice和协作干扰机Oscar分别接收导频信号进行信道估计，得到发射源端Alice到合法接收端Bob的信道估计信息和协作干扰机Oscar到合法接收端Bob的信道估计信息

建立合法发送端Alice到合法接收端Bob的实际信道模型h_B：

建立协作干扰机Oscar到合法接收端的实际信道模型g_B：

其中，h_B和g_B为协作干扰通信模型中的合法信道；表示发射源端Alice到合法接收端Bob的信道估计误差，且和无关；表示协作干扰机Oscar到合法接收端Bob的信道估计误差，对于所有通信节点已知，且和无关；为随机向量的协方差矩阵；

S102.发射源端Alice进行信号发送时，执行人工噪声辅助的单一数据流安全波束形成方案，传输信号矢量x_A表示为：

P_A表示发射源端Alice的总功率预算，φ∈[0,1]是信息承载信号对总发射功率P_A的功率分配比，s～CN(0,1)表示向合法接收端Bob发送的机密消息，n表示信号传输矢量中的人工噪声信号，表示固定波束形成向量,表示零空间的正交基；通过获取通信系统的有效信息，发射源端Alice正确地分配干扰功率，最大化每个传输周期的保密容量；

S103.合作干扰机Oscar在信号传输过程中产生外部干扰信号来混淆窃听端Eve，同时消除对合法接收端Bob的额外干扰，合作干扰机Oscar的发射信号表示为：

其中P_O是合作干扰机Oscar的最大功率限制；

S104.计算协作通信模型中的信号收发参数：

合法接收端接收到的信号为：

窃听端Eve收到的信号为：

其中表示发射源端Alice到窃听端Eve的信道信息，表示合作干扰机Oscar到窃听端Eve的信道信息；用于所有通信方，表示随机信道参数；V＝[v1 V2]表示发送信号的预编码矩阵，n_B和n_E是零均值独立同分布单位方差加性热噪声；

合法接收端Bob的有效接收信干噪比ρ_B为：

其中，隐函数

大的γ反映了高质量的合法通信链路或高精度信道估计处理，我们由于γ分别在信道误差变量和上单调递增，故合法信道的不精确估计会导致对合法接收端Bob的干扰泄漏，从而导致安全性能的严重下降；

窃听端Eve的信干噪比ρ_E为：

显然，ρ_E通过功率分配比φ和信道误差动态地改变，一般来说，为了确保系统的安全性，机密信息必须在传输之前进行编码，发送的码字速率和保密消息率Rs由发射源端Alice确定；为了防止窃听，添加冗余速率R_e＝R_b-R_s，如果瞬时窃听信道容量C_e＝log₂(1+ρ_E)超过冗余速率R_e，则信息的理论安全性降低，并且不可避免地会发生保密中断；

目标保密容量R_s的保密中断概率定义为：

P_so(R_s,φ)＝Pr(log₂(1+ρ_B)-log₂(1+ρ_E)＜Rs)；

ρ_E的互补累积分布函数计算为：

其中当N_A→∞并且时N_O→∞，ρ_E的互补累积分布函数收敛于平均值为的指数分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于协作干扰的防窃听最优安全传输方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：

S201.根据协作干扰通信模型，制定在保密中断概率约束下要解决的最大化保密容量优化问题：

设ε∈(0,1)为系统可接受的最大保密中断概率，在此保密中断概率下的安全系统满足：

令为最大保密中断概率，则保密中断概率满足：

其中，μ表示φ上的一个隐式函数，等效优化问题重写为：

s.t.Pr(ρ_E(φ)＞)μ(φ)＝ε；μ＝ω(φ)φ；

只有当γ大于ω(φ)时，R_s(φ)＞0才能建立，故ω(φ)满足：

求解ω′(φ)：

式中，ω(φ)为单调递增的非负函数；

S202.根据协作干扰系统模型，初始化系统参数：

R_s(φ)是φ上的严格凹函数，初始化参数N_A＝N_O＝4，ε＝0.1，计算最大安全速率的一阶导R′_s(0)和R′_s(1)，其中R′_s(φ)表示为：

S203.根据R′_s(0)和R′_s(1)，确定最优功率分配，并计算最大保密容量，确定最优安全传输方案：

(1)若R′_s(1)≥0，即γ-ω₁≥(1+γ)ω′₁，最优功率分配则设置为φ_opt＝1，将φ_opt＝1带入R_s(φ)＝[log₂(1+γφ)-log₂(1+μ(φ))]⁺，得到最大保密容量等于R_s(1)；即发射源端Alice的所有发射功率应分配给信息承载信号，这意味着发射源端Alice的最佳传输策略是具有全发射功率的保密波束成形；

(2)若R′_s(0)≤0，即γ≤ω₀，最优功率分配则设置为φ_opt＝0，将φ_opt＝0带入R_s(φ)＝[log₂(1+γφ)-log₂(1+μ(φ))]⁺，得到最大保密容量等于R_s(0)；由于ω₀是通信的阈值，只有当γ＞ω₀时，发射源端Alice才能采用物理层安全实现安全发送信号，故R′_s(0)≤0时，物理安全通信传输中断，选用非物理安全通信方式进行信号传输；

(3)若R′_s(0)＞0且R′_s(1)＜0，即γ＞ω₀且，γ-ω₁＜(1+γ)ω₁′；则R_s(φ)先增大然后随φ减小，通过R′_s(φ)＝0的数值求根获得唯一的φ^*∈(0,1)，最优功率分配则设置为φ_opt＝φ^*；将φ_opt＝φ^*带入R_s(φ)＝[log₂(1+γφ)-log₂(1+μ(φ))]⁺，得到最大保密容量等于R_s(φ^*)；发射源端Alice的发射功率P_Aφ^*分配给信息承载信号且P_A(1-φ^*)分配给人工噪声，这意味着发射源端Alice的最佳传输策略是具有人工噪声辅助的保密波束成形。