[发明专利]一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法

说明书

本发明公开了一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法，属于多天线全双工窃听系统物理层安全传输技术领域。该方法首先次用户发射机配置最佳的天线向次用户中继节点发送信号，次用户中继节点采用最大比合并方法接收信号，同时全双工目的节点采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号；然后次用户中继节点采用最大比发送方式向全双工目的节点转发数据，全双工目的节点选择配置最佳的天线接收信号，同时全双工目的节点上剩余天线采用迫零波束赋形方式向窃听用户发射定向干扰信号。该方法有效地提升了全双工认知窃听网络的物理层安全传输性能，降低了整个网络系统被窃听的风险。

技术领域

本发明属于多天线全双工窃听系统物理层安全传输技术领域，具体涉及一种全双工认知窃听网络的物理层安全传输方法。

背景技术

随着无线通信数据量的爆发式增长，频谱资源变得尤为稀缺。然而，现有的固定式频谱分配政策使得大量的频谱资源处于空闲状态,导致频谱利用率低下，为此，认知无线电技术应运而生。此外，由于无线通信具有的广播特性，大量认知无线通信业务极易受到非法用户的窃听攻击，如医疗健康、智能家具和智能交通等，所以很多相关的隐私信息(如身份、位置、健康等个人隐私信息)也将随着业务的转移，从封闭的平台转移到开放的平台上，接触状态从线下变成线上，泄露的风险大大增加，因此有必要借助其他技术方法提升网络的物理层安全性能。

物理层安全作为一种新兴的抗窃听传输技术，通过利用无线信道的随机、互易和时变等物理特性，可望从根本上解决无线通信面临的安全问题。研究表明，多天线技术在认知无线电环境下，一方面，通过先进的信号处理技术，可以在不增加发送功率和带宽的情况下大大改善无线网络传输性能，是改善无线网络物理层安全传输方案常用技术之一；另一方面，中继辅助下目的节点采用全双工技术在接收信息的同时进行转发，可以提高频谱利用率和系统吞吐量且缓解了MAC资源调度带来的拥塞问题和多跳网络中虫孔交换(Wormhole Switching)带来的时延问题；因此，针对多天线的全双工目的节点网络的认知物理层安全传输方法研究具有重要意义。

然而中继节点辅助传输的全双工认知窃听网络中窃听用户可同时从次用户发射机和次用户中继节点窃收所需信息，窃听效率大幅提升。因此如何在多天线全双工认知窃听网络中设计更有效的物理层安全传输方法，以提升全双工认知网络的物理层安全传输性能已成为研究热点。

目前，关于中继节点辅助传输的认知窃听网络的物理层安全传输方法主要有以下两种：第一种方法是半双工模式下采用发射天线选择-最大比合并/发射天线选择-最大比合并(transmit antenna selection-maximum ratio combining/transmit antennaselection-maximum ratio combining，TAS-MRC/TAS-MRC)方法，其主要步骤：第一时隙，配置N_A根天线的次用户发射机(Alice)选择配置最佳的一根天线向配置N_R根天线的次用户中继节点(Relay)发送数据，同时次用户中继节点(Relay)以最大比合并方式接收来自次用户发射机(Alice)发送的数据；第二时隙，用户中继节点(Relay)选择配置最佳的一根天线向配置N_B根天线的次用户目的节点(Bob)发送数据，配置N_B根天线的次用户目的节点(Bob)采用最大比合并方式接收来自用户中继节点(Relay)转发的数据。此外，窃听用户(Eve)会窃听次用户发射机(Alice)发送的数据和次用户中继节点(Relay)向次用户目的节点(Bob)转发的数据。这种方法的优点是配置N_A根天线的次用户发射机(Alice)，配置N_R根天线的次用户中继节点(Relay)与配置N_B根天线的次用户目的节点(Bob)都是通过多天线的优势进行发送与接收数据，有效提升系统的物理层安全性能。然而，由于两个时隙内完成信息的传输，窃听用户(Eve)两个时隙内都会窃听且没有设计应对窃听用户的物理层安全性能增强方法，从而影响了系统物理层安全性能，增加了整个系统网络被窃听的风险。