基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，具体为基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法。


背景技术：

2.由于无线传输所固有的开放式通信环境，使得其比有线通信更容易受到恶意窃听与攻击，无线信道下的合法传输受到严重干扰与威胁。因此，针对无线网络的安全漏洞，应设计有效的防御机制来提高通信的安全性能。正因为如此，物理层安全技术的有关研究和方案逐渐发展起来，以协助无线用户或节点对抗物理层的恶意窃听者。其中，最为受到重视的就是波束成型方案，多用户合作方案，人工干扰方案及其综合应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：针对现有技术中无线传输安全性低的问题，提出基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法
4.本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
5.基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法，包括发射端和接收端，所述发射端执行如下步骤：
6.步骤一：分别将待发送给用户1和用户2的信息wi分成私有信息w
ip
和公有信息w
ic
；
7.步骤二：将私有信息w
ip
和公有信息w
ic
进行编码，得到私有编码信息xi及公有编码信息xc，其中
8.步骤三：将私有编码信息xi及公有编码信息xc进行预编码，得到xi的预编码向量wi及公有xc的预编码向量wc，预编码的维度均为m
×
1，其中m为天线数量；
9.步骤四：将预编码向量wi及预编码向量wc进行优化后，得到发射信号，并进行发射；
10.所述优化过程为：
[0011][0012]
s.t.
[0013][0014][0015]
[0016]
其中，αi为权重，为传输门限值，为用户i私有信息的传输速率，ci为共有信息的可达传输速率里的用户i的占比，i∈{1,2}，cj为共有信息的可达传输速率里的用户j的占比，j＝1,2，ps为发射端的总功率，为用户i处解调xc的信干噪比，为ci的门限值；
[0017]
所述接收端执行如下步骤：
[0018]
步骤五：接收信号，并将接收到的信号进行解调，得到私有编码信息xi及公有编码信息xc。
[0019]
进一步的，所述步骤二中将私有信息w
ip
和公有信息w
ic
进行编码依据合法用户共有的密码本进行。
[0020]
进一步的，所述步骤四中发射信号表示为：
[0021][0022]
进一步的，当用户2中的信息全部为公有编码信息xc时，发射信号表示为：
[0023]
sn＝w1x1 wcxc。
[0024]
进一步的，当用户2中的信息全部为私有编码信息xi时，发射信号表示为：
[0025]ss
＝w1x1 w2x2。
[0026]
进一步的，所述步骤五中解调包括用户处解调和窃听处解调；
[0027]
所述用户处解调包括以下步骤：
[0028]
首先将接收到的信号进行解调，得到私有编码信息xi、公有编码信息xc以及公有编码信息xc的可达速率rc，rc＝c1 c2，之后将私有编码信息xi作为干扰，然后用户i采用串行干扰消除xc，再将剩余干扰信息作为分母解调xi，私有信息xi的速率为：
[0029][0030]
所述窃听处解调包括以下步骤：
[0031]
首先解调私有编码信息xi，其解调sinr为其中，he为发射端与窃听端之间的信道衰落，wk为用户k处的预编码向量，σ2为噪声功率。
[0032]
进一步的，所述天线数量m为4。
[0033]
进一步的，所述发射端的总功率预算ps为40毫瓦到100毫瓦。
[0034]
本发明的有益效果是：
[0035]
本技术是基于速率分割多址接入(rsma)技术的物理层安全传输研究。与其他经典的多址接入技术相比，速率分割多址接入技术更灵活，也更具备基础性和多变性，这是因为速率分割多址接入网络的发射基站会把用户信息分成两部分，分别称为公有和私有信息，所有用户的共有信息将被合成共有码流发射出去。在速率分割多址接入网络的接收用户或节点处，共有信息被先解调出来并将其在信息流中去掉，以获取更好的解调接收端点自身所需信息的信干噪比，之后，将其余用户私有信息视为干扰，私有信息在各个接收端点被直接解码。因此，基于速率分割多址接入技术信息发射和解调特性，物理层安全技术可以被很好利用，基站处发射预编码被优化以提升安全性的同时，速率分割多址接入技术的灵活解调更是便于私有信息的隐藏和安全传输。随着本发明安全传输框架的建立和优化方案的提
出，无线多址接入网络的安全传输速率和保密性能被大大提升。
[0036]
本技术作为速率分割多址接入网络中安全通信的新方案，针对速率分割多址接入网络的安全传输问题展开了细致研究，考虑到物理层安全的技术优势，将速率分割多址接入与物理层安全技术中的预编码优化结合起来，利用发射端多天线预编码向量设计，提升共有信息的可达传输速率的同时，有效保障了私有信息的安全性。本发明优化方案无需消耗额外功率资源，预编码优化算法计算复杂度低，安全性能提升效果明显，为速率分割多址接入系统的安全方案提供了重要的技术参考。
附图说明
[0037]
图1为速率分割多址接入网络构建与其编解码技术示意图；
[0038]
图2为基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输框架下，三种多址接入的关系比较示意图；
[0039]
图3为随着所提出优化算法中的迭代次数变化，公有信息速率rc的收敛性分析图；
[0040]
图4为随着α1和变化，共有信息速率的效果分析图；
[0041]
图5为随着r
1th
和ps变化，安全速率与窃听速率的效果分析图；
[0042]
图6为随着r
1th
和ps变化，安全速率与窃听速率的效果分析图；
[0043]
图7为随着m,de和ps变化，安全速率的效果分析图。
具体实施方式
[0044]
需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本技术公开的各个实施方式之间可以相互组合。
[0045]
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法，本技术基于基站和多用户速率分割多址接入传输网络特点，本技术以物理层安全设计与预编码优化为核心；
[0046]
在该速率分割多址接入传输网络下，本发明将采用物理层安全传输手段，利用预编码联合优化技术，使网络中用户的安全传输得到保障，安全信息被隐藏在大功率共有信息或非安全传输信息中，以对抗网络中潜在窃听者，传输到接收端的用户后被合理解调。包括以下步骤：
[0047]
步骤1、建立存在潜在窃听者的速率分割多址接入传输网络模型；
[0048]
步骤2、以配备m根天线的基站s为信息发射端，将速率分割多址接入系统中所有用户i所需的信息wi分成私有信息w
ip
及公有信息w
ic
；
[0049]
步骤3、此阶段为信息在发射端基站s处的编码过程；依据网络中服务的合法用户共有的密码本，公有信息w
ic
被编码成公有的xc，同时，私有信息w
ip
分别被编码为私有的xi，其中
[0050]
步骤4、此阶段为信号在发射端基站s处的预编码过程；速率分割多址接入系统发射端s处发射信号为：这里的wi为私有xi的预编码，wc是公有xc的预编码，预编码的维度均为m
×
1。除此之外，当用户2的信息均被构成公有信息xc时，此系统的发射信号为sn＝w1x1 wcxc；再者，当网络中没有公有的xc，此时的发射信号为ss＝w1x1 w2x2，以上的
两种特殊情况便是非正交多址接入网络和空分多址接入网络。系统发射端的总功率预算为ps，在信号前均配备有预编码向量，便于提升信息传输的灵活性。在速率分割多址接入系统预编码向量的具体优化方案如下：
[0051][0052]
s.t.
[0053][0054][0055][0056]
这里αi代表权重，r
ith
是传输门限值，其余参数详述见步骤5。将基站处的信号配备优化后的预编码向量并进行发射；
[0057]
步骤5、此阶段为信号在接收端各节点处的解调过程；
[0058]
5.1)在安全通信的用户节点处，用户们均将公有信息xc率先解调出来，并把私有信息xi作为干扰，将公有信息的可达速率表示为rc，有rc＝c1 c2，这里的ci表示共有信息的可达传输速率里的用户i的占比。接着，用户i采用串行干扰消除xc，再直接将剩余信息作为分母解调xi，私有信息xi的速率为：
[0059]
5.2)在系统中的窃听端，窃听者直接解码私有信息xi，解调sinr为这里的he为s与窃听端之间的信道衰落。上式中可通过增大共有信息的部分即|hewc|2，以对抗窃听，进而提升速率分割多址接入系统里私有信息xi的保密性能；
[0060]
步骤6、此阶段中基站s继续发送下一信息，并仍按照步骤3进行信息的编码，按照步骤4优化出此时信道条件下预编码的最优解。
[0061]
本技术是为了协助速率分割多址接入网络对抗恶意窃听，从而建立基于速率分割多址接入的安全框架与优化方案，实现无线通信系统安全传输性能的提升。本技术基于速率分割多址接入通信网络，同时考虑物理层安全设计，提出基于预编码优化和多用户合作干扰窃听者的安全方案。同时，本发明所提出的安全方案可拓展到非正交多址接入网络及空分多址复用接入网络：在非正交多址接入网络中是将私有信息隐藏在另一用户信息构成的共有信息中，在空分多址复用接入网络中是将私有信息隐藏在非安全传输用户信息中。本发明核心思想在于，利用多用户信息在多址接入网络中的同频同时传输特性和解调特点，运用物理层联合预编码优化技术，针对不同信息的私密传输要求，设计具有针对性的安全优化方案，进而保障不同多址接入网络安全信息的私密传输。
[0062]
值得注意的是，通过调整网络编码和解调方式，以及合理设计网络中安全信息所在位置，本技术的安全框架适用于非正交多址接入网络及空分多址复用接入网络的安全传输，如图2所示。
[0063]
实施例1
[0064]
步骤1、存在潜在窃听者的速率分割多址接入传输网络模型的建立：建立存在潜在
窃听者的两用户网络模型如图1所示(其中，s为发射端，u1和u2为两速率分割多址接入网络用户，e是潜在窃听者)，考虑存在潜在窃听者的速率分割多址接入传输网络，假设发射端与用户位置相隔250米与450米，与窃听者间隔200米，各节点单位的噪声方差σ2为10-11
毫瓦，发射端天线数为4，传输速率门限值为0.5bit/s/hz。
[0065]
步骤2、以配备4根天线的基站s为信息发射端，将速率分割多址接入系统中两个用户中的用户i所需的信息wi分成私有信息w
ip
及公有信息w
ic
；
[0066]
步骤3、此阶段为信息在发射端基站s处的编码过程；依据网络中服务的合法用户共有的密码本，共有信息w
ic
被编码成公有的xc，同时，私有信息w
ip
分别被编码为私有的xi。
[0067]
步骤4、此阶段为信号在发射端基站s处的预编码过程；速率分割多址接入系统发射端s处发射信号为：这里预编码的维度均为4
×
1。系统发射端的总功率预算ps从40毫瓦到100毫瓦不等，在信号前均配备有预编码向量，便于提升信息传输的灵活性。根据速率分割多址接入系统预编码向量的具体优化方案，在本发明所提出的速率分割多址接入的预编码优化方案的基础上，速率分割多址接入的用户的共有信息传输随着迭代平稳增加并趋于收敛，本发明所提出的算法合理可行。如图3所示，基于40毫瓦到100毫瓦之间不等的功率，迭代前5次的过程中，速率分割多址接入系统的共有信息传输速率平稳增加，在之后的迭代中趋于收敛，可以看出，本发明所提出的算法收敛极快。再者，随着发射功率预算的增加，公共信息速率优化值也不断增加，本发明的优化算法可使系统传输性能提升明显。在迭代结束后，将基站处的信号配备优化后的预编码向量并进行发射；
[0068]
步骤5、此阶段为信号在接收端各节点处的解调过程，解调思路如图1接收端框图所示；
[0069]
5.1)在安全通信的用户节点处，用户们均将共有信息xc率先解调出来，并把私有信息xi作为干扰，接着，用户i采用串行干扰消除xc，再直接将剩余信息作为分母解调xi；
[0070]
5.2)在系统中的窃听端，窃听者直接解码私有信息xi，并通过增大共有信息的部分对抗窃听，进而提升速率分割多址接入系统里私有信息xi的保密性能；
[0071]
步骤6、此阶段中基站s继续发送下一信息，并仍按照步骤3进行信息的编码，按照步骤4优化出此时信道条件下预编码的最优解。
[0072]
实施例2
[0073]
本发明提供的速率分割多址接入的预编码优化安全传输方法，通过调整网络编码和解调方式，以及合理设计网络中安全信息所在位置，本发明可适用于非正交多址接入网络的安全传输。
[0074]
具体实施为，令功率门限值为10毫瓦，基站处天线数为4，且xi的门限值为1bit/s/hz，de为200米时，随着α1和变化，共有信息速率的效果分析如图4所示。从此示例可以看出，当用户2的传输速率阀值增大时，私有信息的传输性能得以提升，拥有更多功率，共有信息的传输速率降低。随着α1变化，本发明中预编码优化安全传输方案的性能并不会受到显著影响。更值得被探讨的是，当系数α1和阀值均为零时，系统此时视为非正交多址接入系统，其调制解调都符合预期效果。
[0075]
为了更全面地研究本发明所提出预编码优化安全传输给非正交多址接入网络带来的影响，在图5中，研究了随着门限r
1th
和发射功率ps变化，安全速率与窃听速率的效果分
析。从图中可以看出，本发明提出的优化方案可以有效阻碍网络中潜在窃听者对安全用户私有信息的窃听。且当所设计的系统中门限r
1th
取值比较低时，共有信息的传输可以占据更多现有资源，又能使窃听者窃听速率大大减小。尤其是ps增加到足够大时，安全用户私有信息的的安全速率很高，趋于传输速率值。因此，本发明具有重要的实用价值。
[0076]
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。