多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法

摘要

本发明公开了一种多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，在干扰对齐网络中利用全双工接收端发送人工噪声实现保密通信，在接收端利用功率分割法完成信息能量同时传输，并通过带约束的凸优化算法最优化信息和能量的分配比例，以克服现有技术的不足。本发明的有益效果是在接收端充分利用人工噪声，不仅能够在保证网络传输速率的同时显著降低窃听端的窃听速率，而且可以使得信息能量同时传输技术达到更高效的能量采集，实现了保密通信和绿色通信的有效结合。

说明书

技术领域

本发明涉及干扰对齐技术，尤其涉及一种多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

对于无线通信系统而言，其有效性和可靠性是衡量系统性能的重要指标。目前，影响这两个重要指标的有两个关键因素，即干扰和能量。

干扰作为网络中的基本因素，一方面会在一定程度上影响用户的传输速率，降低系统有效性和可靠性。另一方面，也可以反过来在一定程度上被用于干扰网络中的窃听用户，间接改善系统可靠性。因此，如何有效处理干扰又成了现代无线通信领域的热门话题。对于干扰抑制，干扰对齐(interference alignment,IA)的出现颠覆了学术界对于通信网络容量上限的传统理论认知。通过收发两端的联合设计，将干扰重叠映射到一个较低维度的信号空间内，余下的无干扰信号空间用于传输有效数据信息。而对于实现保密通信，可通过利用无线信道的物理层性质和随机编码思想，将信息流隐藏在恶化窃听信道的额外噪声，使窃听端无法获得主信道信息。

能量及其使用效率是另一个衡量系统有效性和可靠性的重要因素。较高的能量利用率可以改善系统通信效率，而当系统拥有较多能量时，必然可以实现更为可靠的工作性能。由于射频信号同时携带信息和能量，使得在通信过程的同时进行能量采集的想法成为现实，即信息能量同时传输技术(simultaneous wireless information and powertransfer,SWIPT)。通过 SWIPT技术，具备能量收集装置的接收端可在接收来自发送端的信号时，同时收集信号所携带的能量。

针对上述问题，中国专利CN106972912A公开了一种基于反馈的MIMO窃听信道下的保密通信方法，此方法只针对单对用户通信。《Transactions on Signal Processing》第64卷第10 期《Generalized InterferenceAlignment》提出了一种在IA网络中利用干扰机辅助发送人工噪声实现保密通信的方法。在此基础上，《Transactions onWirelessCommunications》第15卷第 8期《Anti-Eavesdropping Schemes forInterferenceAlignment(IA)-BasedWireless Networks》提出了一种利用发送端发送人工噪声实现保密通信的方法,但是增加了发送端的能量消耗。《信号处理学报》第28卷第9期《基于接收机人工噪声的物理层安全技术及保密区域分析》提出了一种用全双工接收端发送人工噪声实现保密通信的方案，该方案只分析了网络中只有一组用户的情况。《TheInstitution ofEngineering andTechnology》第10卷第14期《Energy EfficiencyAnalysis and Enhancement for Secure Transmission in SWIPT Systems ExploitingFull Duplex Techniques》同样在单用户网络提出了一种在两跳网络中利用用全双工接收端发送人工噪声同时实现保密通信和SWIPT的方案，该方案同样只分析了网络中只有一组用户的情况。因此，本发明针对现有技术的不足提出一种在干扰对齐网络中利用全双工接收端发送人工噪声的方法，同时解决了保密通信和绿色通信的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，通过全双工接收端发送人工噪声的方式干扰网络中潜在的窃听用户，实现保密通信；同时，利用功率分割等方法在接收端完成SWIPT，凭借人工噪声实现更高效的能量采集，以克服现有技术的不足。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，多用户干扰对齐网络包括K对合法用户和一个额外的窃听用户；每个合法用户对的发送端和接收端分别配备M和N根天线，发送端发送d个数据流，其中，K≥1,M≥1,N≥1，并且d小于M和N中的较小值；接收端采用全双工设计，在接收信号的同时发送人工噪声，数据流个数为d_an，其中d_an小于M和N中的较小值；窃听用户配备N_e根天线，N_e≥1；所述多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法包括以下步骤：

1)发送端发送期望信号给对应的接收端，同时全双工接收端发送人工噪声，此时接收端k 的接收信号如下所示：

式中x_[k]表示发送端k发送的包含d个数据流的信号向量，其发射功率为P；和分别表示单位预编码矩阵和单位干扰抑制矩阵，分别满足表示发送端j到接收端k的信道矩阵，并且满足独立同分布；表示接收端接收的额外高斯白噪声(additive white Gaussiannoise)向量；z_[k]表示接收端k发送的包含d_an个数据流的人工噪声向量，其发射功率为P_an；表示接收端j到接收端k的信道矩阵；表示接收端k发送的人工噪声的单位预编码矩阵；

此时，对于网络中的窃听用户而言，其接收的信号如下所示：

式中表示接收端k到窃听端的信道矩阵，发送端k到窃听端的信道矩阵；

由于窃听用户对接收端信道状态信息的不可知，使其在配备了足够多天线的情况下，通过信道估计只能消除用户间干扰，剩余的信号如下所示：

窃听速率可以表示为

2)通过射频抵消的方法将全双工接收端的自干扰减少，然后利用改进的分布式干扰对齐迭代算法设计收发端的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，提取接收信号中的期望信号，并将用户干扰，人工噪声以及剩余自干扰对齐到干扰空间，具体实施过程如下所示：

(1)初始化预编码矩阵V_[j]和V_an[j]；

(2)设置迭代次数；

(3)计算干扰协方差矩阵Q_[k]，如下所示：

(4)计算解码矩阵U_[k]，如下所示：

U_[k]＝[(U_[k])₁,(U_[k])₂,…,(U_[k])_d],k＝1,2,…,K,

(U_[k])_i＝V_i[Q_[k]],i＝1,2,…,d；k＝1,2,…,K；

(5)将U_[k]设为互易网络的预编码矩阵

(6)计算互易网络中的干扰协方差矩阵和如下所示：

(7)计算互易网络中的解码矩阵如下所示：

(8)计算人工噪声的预编码矩阵V_an[k]，如下所示：

(9)转变方向，将设为正向网络的预编码矩阵；

(10)如果满足迭代次数，结束循环，否则回到步骤(3)；

式中and此时，接收端k的传输速率如下所示

式中S_[k]表示发送端k期望信号的协方差矩阵；

3)由于接收端的每根天线都能同时进行能量采集和信息传输，采用功率分割的方法进行能量采集，并利用带约束的凸优化算法最优化能量采集和信息传输的功率分配比例；其具体实施过程如下所示：

(1)0≤ρ_[ki]≤1表示接收端k用于信息传输的功率分配比例，此时接收端k的信息传输速率>PS[k]和采集的能量E_PS[k]分别如下表示

式中C_[k]＝diag(1-ρ_[k1],…,1-ρ_[kN])，其中ρ_[k1]＝ρ_[k2],…,＝ρ_[kN]＝ρ_[k]，表示接收端k所有能量采集比例的对角矩阵；0≤μ≤1表示能量采集过程中能量转换为电能的损耗，确认需要优化的目标函数，如下所示

s.t.0≤ρ_[k]≤1,k＝1,…,K

式中0≤α_k≤1表示用户k用于发送信息的比重，β表示单位为比特/焦耳的常量，取β＝10⁴；

(2)将目标函数分解为K个独立的子目标函数，第k个子目标函数如下所示

f(ρ)＝α_kR_PS[k]+(1-α_k)βE_PS[k]

(3)构造惩罚函数

(4)初始化惩罚因子r_[0]＞0和ρ_[m]，设m＝1；

(5)从ρ_[m-1]出发以无约束优化方法求惩罚函数的极值点(ρ^*,r_[m])；

(6)判断是否满足||ρ^*r_[m]-ρ^*r_[m-1]||≤ε＝10^-5～10^-7，如果满足，则得到最优解ρ^*，结束迭代，否则执步骤(7)；

(7)重复步骤(4)，取r_[m+1]＝cr_[m]，ρ_[0]＝ρ^*(r_m)，m＝m+1，取递减系数c＝0.1。

本发明的目的还可以通过以下技术方案进一步实现：

前述多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，其中步骤3)采用天线选择的方法完成信息能量同时传输，具体过程如下所示：

(1)接收端利用N根天线中的L根天线用于信息传输，剩余的N-L根天线用于能量采集；假设干扰对齐能将干扰彻底消除，此时接收端k的信息传输速率R_AS[k]和采集的能量E_AS[k]分别如下表示

式中表示发送端i到接收端k用于信息传输的信道矩阵，表示发送端到i到接收端k用于能量采集的信道矩阵；表示接收端i到接收端k用于能量采集的信道矩阵，S_k和S_an[k]分别表示发送端k发送信号和接收端k人工噪声的协方差矩阵，μ表示能量采集过程中能量转换为电能的损耗；

(2)确定目标函数，如下所示

s.t.Tr(S_k)＝P,k＝1,…,K,

S_k≥0,k＝1,…,K.

式中0≤α_k≤1表示用户k用于发送信息的比重，β表示单位为比特/焦耳的常量，取β＝10⁴。

(3)由于L根天线用于信息传输，因此接收端的天线组合有种可能，遍历得到最优的天线组合。

前述多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，其中步骤2)采用天线抵消的方法将全双工接收端的自干扰减少。

前述多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，其中步骤2)采用数字信号处理抵消的方法将全双工接收端的自干扰减少。

前述多用户干扰对齐网络绿色保密通信方法，取K＝5,d＝2,d_an＝1,M＝11,N＝10。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在干扰对齐网络中利用全双工接收端发送人工噪声实现保密通信，在接收端利用功率分割法或天线选择法完成；在保证用户信息传输速率的同时有效的降低窃听用户的窃听速率，并且人工噪声的加入提高了能量采集效率；实现了保密通信和绿色通信的结合。

附图说明

图1是本发明多用户干扰对齐网络的系统模型图；

图2是本发明的绿色保密方法的流程图；

图3是改进的迭代干扰对齐算法的流程图；

图4是内点法最优化能量信息分配比例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示是本发明的多用户干扰对齐网络的系统模型；

本发明的绿色保密通信方法的流程如图2所示；

步骤一：初始化如图1所示的包含K个用户对和一个额外窃听用户的干扰对齐网络系统，合法用户的发送端和接收端分别配备M和N根天线，发送端发送d个数据流，其中， K≥1,M≥1,N≥1，并且d小于M和N中的较小值。接收端采用全双工设计，在接收信号的同时发送人工噪声，数据流个数为d_an，其中d_an小于M和N中的较小值。窃听用户配备N_e根天线，>e≥1。一般取K＝5,d＝2,d_an＝1,M＝11,N＝10。

步骤二：发送端发送期望信号给对应的接收端，同时全双工接收端发送人工噪声，此时接收端k的接收信号如下所示：

式中x_[k]表示发送端k发送的包含d个数据流的信号向量，其发射功率为P。和分别表示单位预编码矩阵和单位干扰抑制矩阵，分别满足表示发送端j到接收端k的信道矩阵，并且满足独立同分布。表示接收端接收的额外高斯白噪声(additive white Gaussiannoise)向量。z_[k]表示接收端k发送的包含d_an个数据流的人工噪声向量，其发射功率为P_an。表示接收端j到接收端k的信道矩阵。表示接收端k发送的人工噪声的单位预编码矩阵。

此时，对于网络中的窃听用户而言，其接收的信号如下所示：

式中表示接收端k到窃听端的信道矩阵，发送端k到窃听端的信道矩阵。

由于窃听用户对接收端信道状态信息的不可知，使其在配备了足够多天线的情况下，通过信道估计只能消除用户间干扰，剩余的信号如下所示：

窃听速率可以表示为

步骤三：通过天线抵消、射频抵消或数字信号处理抵消的方法将全双工接收端的自干扰减少到可以接受的程度，以射频抵消为例，接收端发送人工噪声后，先不进行自干扰抵消，经过射频接收通道和模数转换器的处理后，送入模式识别模块，产生调整值，控制多抽头射频干扰重建滤波器对发射端射频信号的重建，输出的重建信号经过加法器进行射频自干扰抵消，然后利用一种改进的分布式干扰对齐迭代算法设计收发端的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，提取接收信号中的期望信号，并将用户干扰，人工噪声以及剩余自干扰对齐到干扰空间，具体实施过程如图3所示：

(1)初始化预编码矩阵V_[j]和V_an[j]；

(2)设置迭代次数；

(3)计算干扰协方差矩阵Q_[k]，如下所示：

(4)计算解码矩阵U_[k]，如下所示：

U_[k]＝[(U_[k])₁,(U_[k])₂,…,(U_[k])_d],k＝1,2,…,K,

(U_[k])_i＝V_i[Q_[k]],i＝1,2,…,d；k＝1,2,…,K；

(5)将U_[k]设为互易网络的预编码矩阵

(6)计算互易网络中的干扰协方差矩阵和如下所示：

(7)计算互易网络中的解码矩阵如下所示：

(8)计算人工噪声的预编码矩阵V_an[k]，如下所示：

(9)转变方向，将设为正向网络的预编码矩阵

(10)如果满足迭代次数，结束循环，否则回到(3)。

式中and此时，接收端k的传输速率如下所示

式中S_[k]表示发送端k期望信号的协方差矩阵。

步骤四：由于接收端的每根天线都能同时进行能量采集和信息传输，考虑到天线选择方法对接收端天线的需求较高，本发明的最佳方式为采用功率分割技术对接收端的接收信号进行能量采集，并利用带约束的凸优化算法最优化能量采集和信息传输的功率分配比例。本发明采用内点法作为特例，其具体实施过程如图4所示：

(1)0≤ρ_[ki]≤1表示接收端k用于信息传输的功率分配比例。此时接收端k的信息传输速率>PS[k]和采集的能量E_PS[k]分别如下表示

式中C_[k]＝diag(1-ρ_[k1],…,1-ρ_[kN])，其中ρ_[k1]＝ρ_[k2],…,＝ρ_[kN]＝ρ_[k]，表示接收端k所有能量采集比例的对角矩阵。0≤μ≤1表示能量采集过程中能量转换为电能的损耗，为一个常量。本发明忽略背景噪声的存在。

确认需要优化的目标函数，如下所示

s.t.0≤ρ_[k]≤1,k＝1,…,K

式中0≤α_k≤1表示用户k用于发送信息的比重，β表示单位为比特/焦耳的常量，取β＝10⁴。

(2)将目标函数分解为K个独立的子目标函数，第k个子目标函数如下所示

f(ρ)＝α_kR_PS[k]+(1-α_k)βE_PS[k]

(3)构造惩罚函数

(4)初始化惩罚因子r_[0]＞0和ρ_[m]，设m＝1；

(5)从ρ_[m-1]出发以无约束优化方法求惩罚函数的极值点(ρ^*,r_[m])，并判断；

(6)判断是否满足||ρ^*r_[m]-ρ^*r_[m-1]||≤ε＝10^-5～10^-7，如果满足，则得到最优解ρ^*，结束迭代，否则执步骤(7)；

(7)重复步骤(4)，取r_[m+1]＝cr_[m]，ρ_[0]＝ρ*(r_m)，m＝m+1，取递减系数c＝0.1。

本发明也可采用天线选择的方法完成信息能量同时传输，具体过程如下所示：

(1)接收端利用N根天线中的L根天线用于信息传输，剩余的N-L根天线用于能量采集；假设干扰对齐能将干扰彻底消除，此时接收端k的信息传输速率R_AS[k]和采集的能量E_AS[k]分别如下表示

式中表示发送端i到接收端k用于信息传输的信道矩阵，表示发送端到i到接收端k用于能量采集的信道矩阵；表示接收端i到接收端k用于能量采集的信道矩阵，S_k和S_an[k]分别表示发送端k发送信号和接收端k人工噪声的协方差矩阵，μ表示能量采集过程中能量转换为电能的损耗；

(2)确定目标函数，如下所示

s.t.Tr(S_k)＝P,k＝1,…,K,

S_k≥0,k＝1,…,K.

式中0≤α_k≤1表示用户k用于发送信息的比重，β表示单位为比特/焦耳的常量，取β＝10⁴。

(3)由于L根天线用于信息传输，因此接收端的天线组合有种可能，遍历得到最优的天线组合。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。