[发明专利]基于人工噪声的协作网络中功率分配方法

摘要

本发明公开了一种主信道与协作信道非理想信道估计条件下基于人工噪声的协作网络中功率分配方法。发射端用非理想信道估计方法得到的合法通信主信道信息后设计发射信号，进行有用信号和人工噪声信号之间的功率分配，在保证安全性能的基础上，尽可能向合法接收者发送有用保密消息。同时为了提高保密消息的安全性，加入了协作干扰机Cooperative Jammer（CJ），CJ利用非理想信道估计方法得到的协作信道信息设计发送信号对窃听节点Eve进行干扰。在发射端仅知道窃听信道的统计信道信息的条件下，优化发射端发射信号的功率分配使系统安全传输速率达到最大，实现了协作网络中保密消息最有效的安全传输。

主权项

1.基于人工噪声的协作网络中功率分配方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1：合法接收端同时向发射源发射端和协作干扰机发送导频序列，所述导频序列经过发射端到合法接收端的实际信道同时经过协作干扰机到合法接收端的实际信道S2：发射端和协作干扰机分别接收导频序列并做非理想信道估计得到h_b，h_bc，即实际信道与估计信道存在误差，记其中代表随机向量的协方差矩阵，σ₁、σ₂表示中间量，表示实际信道协方差、表示协作信道协方差；S3：发射端和协作干扰机分别利用估计信道矩阵hb、hbc设计各自的发射信号s、sc；S4：发射端和协作干扰机同时发射信号，合法接收端接收来自实际信道的s、s_c，窃听端窃听来自窃听信道h_e、h_ec的s、s_c，h_e为发射端到窃听端的实际信道，h_ec为发射端经过协作干扰机到窃听端的实际信道；S5：合法接收端接收信号为y_b并计算信干噪比，表示为γ_b(φ)，根据发射信号的设计原则可知简化表达式，合法接收端的接收信号表示为其中，nb，ne～CN(0，1)分别代表噪声对合法接收端和窃听端的影响；发射端发射信号s中的人工噪声信号部分应对合法接收端没有任何影响，故满足：其中，Pa表示发送端的发送功率约束；φ∈[0，1]表示Pa的功率分配比；x～CN(0，1)和分别表示高斯码本的数据信号和高斯噪声向量，并且是相互独立的，为序号为N_a‑1的协方差；N_a为天线数；等式右边第一项表示信息轴方向的信号，其中第二项表示人工噪声向量，其中的列向量构成的零空间的标准正交基；干扰机端发射信号s_c，也应对合法接收机没有任何影响，即所以s_c表示为：其中P_c表示CJ的发送功率约束；W的列向量形成了的零空间的标准正交基；表示一个高斯噪声向量；其中N_c为天线根数；CJ为协作干扰，W为信道矩阵；合法接收端的信干噪比SINR可以表示成已知且的列向量构成的零空间的标准正交基，W_bc的列向量形成了的零空间的标准正交基，从而得到W_bc为经过协作干扰机到合法接收端的信道矩阵，故：由于系统只知道窃听信道的统计信息，窃听端的接收信号和信干噪比仍为理想信道估计条件下的结果，分别为：要实现安全中断容量最大化，优化问题可以等价为一个功率分配问题，描述如下：s.t.Pr(γe(φ)＞μ)＝ε，0≤Rs≤Cb；其中γ＝P_a||h_b||²，R_s表示安全传输速率，ε表示安全中断概率约束，C_b＝log₂(1+γ_b(φ))表示主信道的信道容量，表示和中断概率有关的阈值；求解安全中断概率约束为：其中和由上式看出ω是一个关于φ的隐函数，且显然ω(φ)＞0，则功率分配问题的公式就表示成：S6：计算理想信道估计条件下最优分配比及最大安全传输速率，即用数值分析方法求解公式最优化时的最优功率分配比φ*及最大安全传输速率R_s^*；S7：将理想信道估计条件下最优分配比φ*代入步骤S4中最后一个公式得到Rs’＝Rs(φ*)，观察按理想信道估计条件下最优功率分配比φ*设计的发射信号经过与设计信号使用的信道信息存在估计误差的信道时系统能达到的安全传输速率Rs’；S8：比较理想信道估计条件下最优功率分配比经过存在估计误差的信道后系统能达到的安全传输速率Rs’与理想状态下能达到的最大安全传输速率Rs*。