[发明专利]一种多用户对端到端中继系统的安全预编码方法

说明书

多用户对端到端中继系统用于物理层安全的预编码设计方法，中继节点利用信道之间的差异性，通过预编码信号处理技术在相应的目的节点处消除多用户干扰，又同时在窃听节点方向进行迫零处理，实现信息安全传输。一方面，本方法消除了多用户干扰和防止信息泄露，降低了目的节点接收机的检测复杂度并且保证了信息的安全传输。另一方面，本方法将主要复杂度集中在固定设施中继上，简化了对移动用户的硬件要求，并且本方法只涉及到中继节点对接收信号做简单的加法和乘法操作，硬件实现简单，实用性更强。

技术领域

本发明涉及一种改善物理层安全的预编码设计方法，尤其涉及一种针对多用户对端到端中继系统里中继节点的预编码处理方法，该方法可在消除多用户间干扰的同时，防止信息泄露。

背景技术

无线通信的广泛运用，虽然给人民生活带来了巨大便利，但是无线通信的广播特性和无线媒质的开放性，导致信息安全威胁日益凸显严重，特别是电子商务等领域，这使得信息安全问题日益受到广泛关注。传统上解决这一安全问题的方法是在物理层以上的高层中采取加密密钥体制，通过对合法用户进行密钥分发实现身份认证和安全通信。然而，随着用户数目骤增，密钥分发的复杂度和密钥长度成为加密机制亟待解决的两大挑战。基于信息论，物理层安全技术为通信安全开辟了新的途径。因此，结合现有加密机制，物理层安全技术能为通信安全提供更加坚实的安全保障。

物理层安全的主要思想是利用信道差异性，通过各种信号处理技术来增大主链路(源节点和目的节点间信道)的信道容量，并同时尽可能恶化窃听链路(源节点和窃听节点间信道)的信道容量。A.D.Wyner在“The wire-tap channel.Bell Syst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”一文中表明：只要主链路的信道容量大于窃听链路的信道容量，就可以实现信息的安全传输。因此，物理层安全的研究为信息安全传输提供了新的途径。多天线技术通过引入多维信号处理，既能克服单天线系统中当窃听信道质量优于主信道时，安全容量为零的局限，又可以成倍地提升系统的传输速率。因此，多天线技术在改善物理层安全、保证信息安全传输上发挥着重要作用。多天线技术中多维信号处理方式主要包括线性预编码技术和人工加噪技术两种。线性预编码技术主要通过对发射信号进行线性变化处理，以达到增强目的节点接收、减少泄露给窃听节点的信息量，从而扩大主链路与窃听链路之间的信道容量差值。除此之外，人工加噪技术也是多天线技术改善物理层安全的重要手段之一。在不影响目的节点正常接收信号的条件下，通过在主链路的零空间内添加人工噪声以达到恶化窃听节点接收性能，从而实现提高物理层安全性能的目的。

中继系统不仅具有克服远距离通信等优势，而且中继节点通过运用预编码技术也可以取得物理层安全改善的收益。由于中继系统将信号预编码处理集中在中继节点上实现，极大地简化了对源节点和目的节点收发机的硬件配置要求。因此，关于中继系统预编码技术的研究日益受到广泛研究。特别是，多用户对中继通信系统(Multiuser Peer-to-PeerRelay Network)中的预编码设计问题：如何设计高效的预编码方案既能够同时支持多组用户对多路数据流并行传输，又能够有效地解决多用户之间相互干扰问题和信息安全传输问题。针对这一安全预编码设计问题，X.Gong等人在“Secure communication design formulti-user peer-to-peer wireless relay networks.IET Commun.Jan.2016,pp.770-777.”一文中从以下思路进行解决：在保证合法用户对安全通信的前提下，最大化多用户对中的最小安全传输速率，从而将安全预编码问题转化为以“最小安全传输速率”为优化目标的半正定规划问题，并采用内点法进行有效求解。然而，这种求解方式仅仅能够得到一个近似的次优解，且运算过程极为繁琐。而且，这一解决方式，需要联合检测所有源节点发送的源信息才能够确定源节点所发送的私密信息，目的节点的信号检测复杂度大，而且无法有效地抑制多用户干扰对目的节点的影响。