[发明专利]下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法

权利要求书

1.下行全双工中继网络中基于人工噪声和波束成形的安全传输方法，其特征在于，该全双工中继网络包括一个基站、一个全双工中继和一个合法接收端，同时还存在一个恶意的窃听者E，该安全传输方法分为两个阶段：

第一阶段，基站向中继发送私密信号，中继选择一根天线来接收信号，同时，窃听者也会收到私密信号；为了防止窃听者成功破解私密信号，中继利用剩余的天线发送干扰信号，并利用波束成形技术使中继和合法接收端不会接收到干扰信号；

第二阶段，中继利用放大转发协议进行信号转发，此时窃听者还是会接收到中继转发的私密信号，因此中继在转发的过程中结合人工噪声一起发送，并利用波束成形技术使噪声在合法接收端的零空间，窃听者会接收到来自中继的信号由于人工噪声的存在便不能成功解码私密信号，窃听者在两个过程中都会收到信号，因此采用最大比合并来接收信号，以最大概率的破解信号，中继节点装有N条天线而其余节点只有1条天线，并假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路；

具体实现如下：

Step 1：基站选择中继的接收天线用于发送私密信号x_A，同时剩余的N-1条天线用于向窃听者发送干扰信号x_N-1；

Step 2：基站向被选择的天线发送私密信号x_A，处于全双工模式的中继在接收信号的同时向窃听者发送干扰信号x_N-1并设计相应的波束成形矩阵A；

Step 3：中继接收来自基站的私密信号，同时窃听者会接收到来自基站的私密信号和来自中继的干扰信号；

Step 4：中继合理地设计波束成形矩阵W和分配能量，将放大后的信号与人工噪声的叠加信号X发送给合法接收端，由于波束成形矩阵的作用，合法接收端接收不到干扰信号，但是窃听者将会收到叠加信号；

Step 5：合法接收端接收到来自中继转发的信号并进行译码来获取私密信息；

Step 6：窃听者利用最大比合并接收第一阶段接收的信号和第二阶段的接收的信号并译码来获取信息；

其中，Step1中选择接收天线i的方法为

Step2中波束成形矩阵A满足

Step3中中继节点和窃听者接收到的信号y_r和y_e1分别表示为

Step4中的叠加信号X和放大因子β分别表示为

Step5中合法接收端接收的信号y_b和译码信噪比γ_B分别表示为

Step6中窃听者接收的信号y_e2和译码信噪比γ_E分别表示为

其中，P_A和P_R分别是基站和中继用于发送信号的能量；i＝1,2,...,N表示安装在中继上的N条天线；A和W＝[w,W_N-1]分别表示在第一阶段和第二阶段的波束成形矩阵，其中，W_N-1表示h_rb2的零空间的一组正交基；h_rb1，h_rb2，h_re1和h_re2分别表示中继与合法接收机之间和中继与窃听者之间在第一阶段与第二阶段的信道系数向量；h_rr表示中继发送端到中继接收端的信道系数向量；h_ari和h_ae分别表示基站与中继的第i根天线和基站与窃听者之间的信道系数；各个信道系数向量的元素均是服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的瑞利衰落；n_r和n_b分别是中继和合法接收端产生的服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的高斯白噪声；n_e1和n_e2分别是窃听者在第一阶段和第二阶段产生的服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的高斯白噪声；φ是中继用于发送信号和干扰的能量分配因子；||·||和|·|分别表示向量的范数和绝对值运算；h^H表示向量的共轭转置。