最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910146085.7 (22)申请日 2019.02.27 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 穆鹏程胡达瑞王文杰张渭乐 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 徐文权 (51)Int.Cl. H04W 12/02(2009.01) H04W 52/24(2009.01) H04W 72/04(2009.01) (54)发明名称 一种最小化保密中断概率的分布式协作干 扰功率分配方法。

2、 (57)摘要 一种最小化保密中断概率的分布式协作干 扰功率分配方法， 采用的通信系统包括一个单天 线发信方、 K个单天线协作节点、 一个单天线期望 接收方和一个单天线窃听方； 单天线期望接收方 在获取信道状态信息后判断 是否成立， 是则计算参数LB与UB并转入步骤 2， 否则不给任何节点分配功率并等待信道变化； 再利用黄金分割法嵌套二分法的两层一维搜索 在区间LB,UB中寻找op； 最后依据步骤2确 定的op计算K个单天线协作节点的发送功率， 并将这些发送功率反馈给各协作节点， 完成功率 分配。 本发明能够在保密速率给定的情况下获得 最优的功率分配结果， 复杂度低、 效率高。 权利要求书3页。

3、 说明书7页 附图2页 CN 109788479 A 2019.05.21 CN 109788479 A 1.一种最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特征在于， 包括： 步骤1， 单天线期望接收方Bob在获取信道状态信息后判断是否成 立， 是则计算参数 LB与 UB并转入步骤2， 否则不给任何节点分配功率并等待信道变化； 信道状态信息包括K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K与单天线期望接 收方Bob之间的信道系数hB,k、 K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K与单天线 窃听方Eve之间的平均信道增益E,k、 单。

4、天线发信方Alice-0与单天线期望接收方Bob之间 的信道系数hB,0以及单天线发信方Alice-0与单天线窃听方Eve平均信道增益E,0；为单 天线期望接收方Bob接收机的加性高斯白噪声功率； B,0|hB,0|2， RS为预先设定的保密速 率； 所述的参数 LB与 UB分别表示搜索过程中 op所处区间的左右端点， op为参数 的最佳取 值， 其能够使作为目标函数的保密中断概率自然对数F( )最小， 这里的参数 表示信噪比门 限， 当窃听方的信噪比高于参数 时会发生保密中断事件； 步骤2， 利用黄金分割法嵌套二分法的两层一维搜索在区间 LB, UB中寻找 op； 步骤3， 依据步骤2确定的。

5、op计算K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K的 发送功率， 并将这些发送功率反馈给各协作节点， 完成功率分配。 2.根据权利要求1所述的最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特 征在于： 采用的通信系统包括一个单天线发信方Alice-0、 K个单天线协作节点Alice-1 Alice-K、 一个单天线期望接收方Bob和一个单天线窃听方Eve； 单天线发信方Alice-0与单 天线期望接收方Bob构成通信对， 通信过程中单天线发信方Alice-0以固定功率P0发送承载 信息的信号， K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice。

6、-K发送独立的高斯白噪声信 号干扰单天线窃听方Eve； K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K的发送功率由 单天线期望接收方Bob确定并反馈给各发送节点； 无线信道慢衰落并能被建模为准静态瑞 利信道。 3.根据权利要求1所述的最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特 征在于， 所述步骤2的具体操作步骤如下： 步骤2.1， 预设搜索精度 10， 令 l LB， r UB； 步骤2.2， 令 1 r-0.618( r- l)， 2 l+0.618( r- l)， 分别计算出F( 1)与F( 2)， 令y1F( 1)， y2F( 2)； 步骤2.3， 若。

7、y1y2， 则令 l 1， 1 2， y1y2， 2 l+0.618( r- l)， 重新计算F( 2)， 并令y2F( 2)； 否则令 r 2， 2 1， y2y1， 1 r-0.618( r- l)， 重新计算F( 1)， 并令y1F( 1)； 步骤2.4， 若| r- l| 1， 返回步骤2.3； 否则令结束搜索； 其中， l与 r分别表示搜索过程中 op 所处区间的左右端点；1根据精度需求设定。 4.根据权利要求3所述的最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特 征在于， 步骤2.2中由给定的 值计算F( )的具体步骤如下： 步骤2.2.1， 预设搜索精度 20， 令 l0。

8、， r ； 步骤2.2.2， 令由 m计算 权利要求书 1/3 页 2 CN 109788479 A 2 对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0， 然 后利用得到的Pk(k1 ,2 , ,K)计算目标函数步骤 2.2.3， 若f0， 则令lm； 否则令rm； 步骤2.2.4， 若|r-l|2， 结束搜索并令 然后由 m计算k1,2,K， 对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0； 否则返回步骤2.2.2； 步骤2.2.5， 依据步骤2.2.4记录的Pk计算 l与 r分别表示搜索过程中 m所处区间的左右端点； 参数k1,2,K； Pk代表K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alic。

9、e-K的发送功率； 2根据精度需求设定；表示第k个单天线协作节点 Alice-k的功率上限；为单天线窃听方Eve接收机的加性高斯白噪声功率。 5.根据权利要求1所述的最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特 征在于， 步骤1中参数 LB与 UB的具体取值为： 上式中，表示第k个单天线协作节点Alice-k的功 率上限； 向量BB,1,B,2,B,KT， B,k|hB,k|2。 6.根据权利要求1所述的最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 其特 征在于， 所述步骤3的具体步骤如下： 步骤3.1， 预设搜索精度 30， 令 l0， r op； 步骤 3.2， 令由 m计算。

10、对于与Pk0的情 况 ， 分 别 令及 Pk 0 ， 然 后 由 Pk( k 1 , 2 , , K ) 计 算 目 标 函 数 步骤3.3， 若f0， 则令lm； 否则令rm； 步骤 权利要求书 2/3 页 3 CN 109788479 A 3 3.4， 若| r- l| 3， 结束搜索并令然后由 m计算k1, 2,K， 对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0； 否则返回步骤3.2； 步骤3.5， 将 步骤3.4所记录的Pk(k1,2,K)作为各协作节点的发送功率反馈给第k个单天线协作节 点Alice-k， 完成功率分配； 其中，3根据精度需求设定。 权利要求书 3/3 页 4 CN 1097。

11、88479 A 4 一种最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法 技术领域 0001 本发明涉及无线通信领域， 为一种最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分 配方法。 背景技术 0002 无线通信技术的发展使通信的有效性和可靠性得到进一步增强， 人们已经越来越 重视无线通信中的信息安全问题。 电磁波的广播特性是无线通信中信息泄露问题的根源， 因此， 增强无线通信保密性的一个关键点是保障信息在物理层的安全传输。 鉴于此， 作为对 传统加密技术有力补充的物理层安全传输技术引起了研究人员的广泛关注。 0003 协作干扰技术是目前物理层安全研究的一个方向， 协作节点通过发送人工噪声信 号使得窃。

12、听方受到的干扰大于期望接收方， 以此加强无线通信的物理层安全。 0004 2011年3月在IEEE Transactions on Signal Processing， VOL.59， NO.3上发表的 题为 “Optimal Cooperative Jamming to Enhance Physical Layer Security Using Relays” 的文章研究了协作干扰的功率分配方案， 该方案要求协作干扰用户之间共享干扰 信号。 2013年7月在IEEE Transactions on Information Forensics and Security， VOL .8， NO 。

13、.7上发表的 “Uncoordinated Cooperative Jamming for Secret Communications” 提出了一种多天线分布式协作干扰方案， 该方案要求协作用户必须配置 多天线。 考虑到现实中各协作用户可能仅配置单天线， 并且彼此之间无法共享干扰信号， 此 时上述两种方案均不能满足实际需求。 0005 2017年5月在IEEE Transactions on Vehicular Technology， VOL.66， NO.5上发 表的题为 “On the Secrecy Rate Maximization With Uncoordinated Coopera。

14、tive Jamming by Single-Antenna Helpers” 的文章提出了一种全新的分布式协作干扰方案， 该 方案考虑到协作干扰的实际应用场景， 只要求协作用户配备单天线并独立发送噪声信号， 同时以期望接收方作为分配功率的控制中心。 然而， 同大多数现有工作一样， 上述文章关注 于保密中断概率约束下的保密速率最大化问题， 所得到的功率分配结果也不能保证最优 性。 0006 事实上， 在实际的通信过程中， 保密速率一般是预先设定的， 此时以最小化保密中 断概率为目标确定功率分配方案更具实际意义， 这也是本发明所要解决的问题。 发明内容 0007 本发明的目的在于针对上述现有技术。

15、中的问题， 提供一种最小化保密中断概率的 分布式协作干扰功率分配方法， 能够在给定保密速率的情况下最小化保密中断概率， 增强 无线通信系统的物理层安全传输性能， 计算复杂度较低， 效率高， 能够满足通信的实时性要 求。 0008 为了实现上述目的， 本发明最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法 为： 说明书 1/7 页 5 CN 109788479 A 5 0009步骤1， 单天线期望接收方Bob在获取信道状态信息后判断是 否成立， 是则计算参数 LB与 UB并转入步骤2， 否则不给任何节点分配功率并等待信道变化； 0010 信道状态信息包括K个单天线协作节点Alice-1， Alic。

16、e-2,， Alice-K与单天线期 望接收方Bob之间的信道系数hB,k、 K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K与单 天线窃听方Eve之间的平均信道增益E,k、 单天线发信方Alice-0与单天线期望接收方Bob 之间的信道系数hB,0以及单天线发信方Alice-0与单天线窃听方Eve平均信道增益E,0； 为单天线期望接收方Bob接收机的加性高斯白噪声功率； B,0|hB,0|2， RS为预先设定的保 密速率； 0011 所述的参数 LB与 UB分别表示搜索过程中 op所处区间的左右端点， op为参数 的最 佳取值， 其能够使作为目标函数的保密中断概率自然对。

17、数F( )最小， 这里的参数 表示信噪 比门限， 当窃听方的信噪比高于参数 时会发生保密中断事件； 0012 步骤2， 利用黄金分割法嵌套二分法的两层一维搜索在区间 LB, UB中寻找 op； 0013 步骤3， 依据步骤2确定的op计算K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice- K的发送功率， 并将这些发送功率反馈给各协作节点， 完成功率分配。 0014 优选的， 本发明最小化保密中断概率的分布式协作干扰功率分配方法， 采用的通 信系统包括一个单天线发信方Alice-0、 K个单天线协作节点Alice-1Alice-K、 一个单天 线期望接收方Bob和一个单天线窃听。

18、方Eve； 单天线发信方Alice-0与单天线期望接收方Bob 构成通信对， 通信过程中单天线发信方Alice-0以固定功率P0发送承载信息的信号， K个单 天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K发送独立的高斯白噪声信号干扰单天线窃听 方Eve； K个单天线协作节点Alice-1， Alice-2,， Alice-K的发送功率由单天线期望接收方 Bob确定并反馈给各发送节点； 无线信道慢衰落并能被建模为准静态瑞利信道。 0015 所述步骤2的具体操作步骤如下： 0016 步骤2.1， 预设搜索精度 10， 令 l LB， r UB； 步骤2.2， 令 1 r-0.61。

19、8( r- l)， 2 l+0.618( r- l)， 分别计算出F( 1)与F( 2)， 令y1F( 1)， y2F( 2)； 步骤2.3， 若y1 y2， 则令 l 1， 1 2， y1y2， 2 l+0.618( r- l)， 重新计算F( 2)， 并令y2F( 2)； 否则 令 r 2， 2 1， y2y1， 1 r-0.618( r- l)， 重新计算F( 1)， 并令y1F( 1)； 步骤2.4， 若 | r- l| 1， 返回步骤2.3； 否则令结束搜索； 其中， l与 r分别表示搜索过程 中 op所处区间的左右端点；1根据精度需求设定。 0017 所述的步骤2.2中由给定的 值。

20、计算F( )的具体步骤如下： 0018步骤2.2.1， 预设搜索精度 20， 令 l0，r ； 步骤2.2.2， 令由 m 计算对于与Pk0的情况， 分别令及Pk 0， 然后利用得到的Pk(k1,2,K)计算目标函数步骤 说明书 2/7 页 6 CN 109788479 A 6 2.2.3， 若f0， 则令lm； 否则令rm； 步骤2.2.4， 若|r-l|2， 结束搜索并令 然后由 m计算对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0； 否则返回步骤2.2.2； 步骤2.2.5， 依据步骤2.2.4记录的Pk计算 l与 r分别表示搜索过程中 m所处区间的左右端点； 参数Pk代表K个单天线协作节点Ali。

21、ce-1， Alice-2,， Alice-K的发送功率； 2根据精度需求设定；表示第k个单天线协作节点 Alice-k的功率上限；为单天线窃听方Eve接收机的加性高斯白噪声功率。 0019 所述的步骤1中参数 LB与 UB的具体取值为： 0020 0021 0022上式中，表示第k个单天线协作节点Alice-k 的功率上限； 向量BB,1,B,2,B,KT， B,k|hB,k|2。 0023 所述的步骤3的具体步骤如下： 0024步骤3.1， 预设搜索精度 30， 令 l0， r op； 步骤3.2， 令由 m计 算对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0， 然后由Pk(k1,2,K)计算目标函。

22、数步骤3.3， 若f 0， 则令 l m； 否则令 r m； 步骤3.4， 若| r- l| 3， 结束搜索并令然后由 m 计算对于与Pk0的情况， 分别令及Pk 0； 否则返回步骤3.2； 步骤3.5， 将步骤3.4所记录的Pk(k1,2,K)作为各协作节点的发 送功率反馈给第k个单天线协作节点Alice-k， 完成功率分配； 其中，3根据精度需求设定。 0025 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果： 首先通过引入信噪比门限 ， 将关 说明书 3/7 页 7 CN 109788479 A 7 于功率分配的K维优化问题转化为对 op的一维搜索问题， 简化了求解过程。 其次， 本发明在 。

23、对F( )的求解中采用了一维搜索方法， 由此形成的本发明两层一维搜索算法具有很低的复 杂度， 在实际使用中能够满足通信的实时性要求； 最后， 利用本发明所得到的功率分配方案 能够在给定保密速率的情况下使得保密中断概率最小， 即本发明方法能够获得最优的功率 分配。 附图说明 0026 图1基于分布式协作干扰的SISOSE窃听信道模型； 0027 图2本发明分配方法的流程图； 0028 图3利用本发明的功率分配方法实施协作干扰与传统单发单收无协作干扰的保密 中断概率随发送功率变化的对比曲线图。 具体实施方式 0029 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。 0030 如图1所示， 本发明。

24、所采用的通信系统包括一个单天线发信方Alice-0、 K个单天线 协作节点Alice-1Alice-K、 一个单天线期望接收方Bob和一个单天线窃听方Eve； Alice-0 与Bob构成通信对， Alice-1， Alice-2,， Alice-K发送独立的高斯白噪声信号干扰窃听方 Eve； 节点Alice-1Alice-K的发送功率由Bob确定并反馈给各发送节点。 0031 记hB,k与hE,k分别为Alice-k(k0,1,K)到Bob与Eve的信道系数， 假定无线信道 慢衰落并可被建模为准静态瑞利信道， hB,k与hE,k相互独立且都服从均值为零的复高斯分 布， 即hB,kCN(0,B。

25、,k)， hE,kCN(0,E,k)， k0,1,K。 这里的B,k和E,k表示复高斯分 布的方差， 代表了信道的平均增益。 定义B,k|hB,k|2， E,k|hE,k|2。 0032 在通信过程中， Bob可以获取hB,k(k0,1,K)与E,k(k0,1,K)； Alice-0以 固定功率P0发送承载信息的信号， 与此同时， Alice-k(k1,2,K)通过发送干扰信号 来降低Eve的信噪比， 以此增强Alice-0的物理层安全传输性能， 其中， xkCN(0,1)， Pk为可调的Alice-k的发射功率。 若用CB与CE分别表示主信道(Alice-0到Bob)和窃听信道 (Alice。

26、-0到Eve)的信道容量， 则保密容量CSmax(0,CB-CE)。 由于实际中无法获得窃听信道 的准确状态， 需要将其当作随机变量， 此时CS也变成随机变量。 当保密容量小于预先设定的 保密速率(记为RS， RS0)时将会发生保密中断事件， 通信中希望保密中断概率越小越好。 0033 给定保密速率时最小化保密中断概率的问题本质上是一个多维优化问题， 直接求 解该优化问题十分耗时， 很难满足通信的实时性要求。 利用图2所示的本发明功率分配方法 可以快速求解该优化问题并得到最优解， 具体包含以下步骤： 0034步骤1， Bob在获取信道状态信息后判断是否成立， 是则首先计 算参数 LB与 UB，。

27、 然后转入步骤2； 否则不给任何节点分配功率并等待信道变化； 0035 步骤2， 利用黄金分割法嵌套二分法的两层一维搜索在区间 LB, UB中寻找 op； 0036 步骤3， 依据步骤2确定的op计算Alice-1Alice-K的发送功率并将其反馈给各协 作节点， 完成功率分配； 说明书 4/7 页 8 CN 109788479 A 8 0037其中， 步骤1的信道状态信息系包括hB,k与E,k；为Bob接收机的加性高斯白噪 声功率； op为参数 的最佳取值， 其可使目标函数(即保密中断概率的自然对数)F( )最小。 0038 步骤1中 LB与 UB的具体取值为： 0039 0040 0041。

28、其中， 向量表示协作节点Alice-k的功率上 限； 向量BB,1,B,2,B,KT， B,k|hB,k|2。 0042 步骤2具体包括以下步骤： 0043 步骤2.1， 预设搜索精度 10， 令 l LB， r UB； 0044 步骤2.2， 令1r-0.618( r-l)， 2l+0.618( r-l)， 分别计算出F( 1)与F ( 2)， 令y1F( 1)， y2F( 2)； 0045 步骤2.3， 若y1y2， 则令 l 1， 1 2， y1y2， 2 l+0.618( r- l)， 依照下文所 述的步骤2.2.1步骤2.2.5重新计算F( 2)， 并令y2F( 2)； 否则令 r 。

29、2， 2 1， y2y1， 1 r-0.618( r- l)， 依照下文所述的步骤2.2.1步骤2.2.5重新计算F( 1)， 并令y1F ( 1)； 0046步骤2.4， 若| r- l| 1， 返回步骤2.3； 否则令结束搜索； 0047 其中，1为 的预设搜索精度， 可根据精度需求设定。 0048 进一步地， 步骤2.2中由给定的 值计算F( )的具体步骤如下： 0049 步骤2.2.1， 预设搜索精度 20， 令 l0，r ； 0050步骤2 .2 .2 ， 令由m计算对于 与Pk0的情况， 分别令及Pk0， 然后利用Pk(k1 ,2 , ,K)计算 0051 步骤2.2.3， 若f0。

30、， 则令 l m； 否则令 r m； 0052步骤2 .2 .4 ， 若|r-l|2， 结束搜索并令然后由m计算 (k1,2,K)， 对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0； 否 则返回步骤2.2.2； 说明书 5/7 页 9 CN 109788479 A 9 0053步骤2.2.5， 依据步骤2.2.4记录的Pk计算 0054其中， 参数2为 的预设搜索精度， 可根据精度 需求设定；为Eve接收机的加性高斯白噪声功率。 0055 步骤3具体包括以下步骤： 0056 步骤3.1， 预设搜索精度 30， 令 l0，r op； 0057步骤3 .2 ， 令由m计算对于 与Pk0的 情况 ， 分别令及。

31、Pk0 ， 然后由 Pk(k1 ,2 , ,K) 计算 0058 步骤3.3， 若f0， 则令 l m； 否则令 r m； 0059步 骤 3 .4 ， 若 |r-l| 3， 结 束 搜 索并 令然 后由m计 算 (k1,2,K)， 对于与Pk0的情况， 分别令及Pk0； 否 则返回步骤3.2； 0060 步骤3.5， 将步骤3.4所记录的Pk(k1,2,K)作为各协作节点的发送功率反馈 给Alice-k(k1,2,K)， 完成功率分配； 0061 其中，3为 的预设搜索精度， 可根据精度需求设定。 0062 通过仿真对比有无协作干扰两种情况下保密中断概率(SOP)随信噪比变化的情 况。 图3。

32、给出了相同保密速率条件下保密中断概率随信噪比变化的曲线， 其中共仿真了RS 0.25,0.5两种情况。 以无协作干扰的SISO系统为参考对象， 仿真过程中， 限定协作节点数目 K10， 主节点发送功率为P0， 噪声功率将信噪比定义为P0/ 2。 仿真中设 2恒为 1， 协作节点的功率上限均为另设B,kE,k1(k0,1,K)。 随 机生成2000次独立信道进行蒙特卡洛仿真。 0063 由图3可见， 不论保密速率为0.25还是0.5， 利用本发明的功率分配方法实施协作 干扰所达到的保密中断概率均小于无协作干扰的SISO系统保密中断概率。 0064 同时可以看出， 相较于无协作干扰的SISO系统，。

33、 信噪比的增大可以显著提升基于 本发明的分布式协作干扰通信系统的保密性能。 0065 综上所述， 从技术方案理论分析以及仿真结果都能够验证本发明方法在保障无线 通信物理层安全传输方面的有效作用。 说明书 6/7 页 10 CN 109788479 A 10 0066 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以对本发明做任何形式上的限定， 本 领域技术人员应当理解的是， 在不脱离本发明精神和原则的条件下， 本发明还可以进行若 干修改或简单替换， 这些修改及替换也均落入由所提交权利要求划定的范围之内。 说明书 7/7 页 11 CN 109788479 A 11 图1 图2 说明书附图 1/2 页 12 CN 109788479 A 12 图3 说明书附图 2/2 页 13 CN 109788479 A 13 。