本發明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種可實現物理層安全傳輸的波束成型方法。

背景技術：

目前，無線信道的開放性、通信的廣播特性、終端的移動性、網絡拓撲結構的多樣性及無線傳輸的不穩定性等因素使得移動通信網絡面臨者更多的安全威脅，比如竊聽和假冒。傳統通信系統的安全機制是建立在物理層之上，并且假設物理層能夠提供一條無差錯的數據傳輸鏈路，通過合法用戶之間的密鑰共享來實現保密通信。然而目前大量出現的分布式通信系統，如移動Ad-hoc網絡、用戶直連通信系統，由于其成本低、功能簡單，使得傳統的加密技術無法實施。因此，建立物理層的安全機制，利用物理層的編碼、調制和傳輸設計來保證信息傳輸的安全性已得到研究人員的廣泛關注。協作通信技術作為一種多天線技術的擴展，目前已成為4G移動通信系統的關鍵技術之一，并且已經在LTE規范第8版本得到了實際的部署。協作通信技術的核心思想是利用中繼節點的協作傳輸，在源節點和目的節點之間引入多條傳輸路徑，從而有效抵抗無線信道的衰落，提高通信系統的頻譜利用率。協作通信系統的信號傳輸通常分為兩個階段：在廣播階段，源節點將信號廣播至中繼節點和目的節點；在協作階段，中繼節點按照一定的中繼協議對接收信號進行再處理，然后轉發至目的節點。目前，中繼節點采用中繼協議主要包括，放大轉發協議、譯碼轉發協議等等。由于協作通信系統通常是一個分布式的通信系統，參與協作通信的各個節點有可能具有不同的安全級別，這就會導致中繼節點在轉發源節點的機密信息時會造成機密信息的泄露。所以，針對協作通信系統中如何實現物理層的安全傳輸成為一個急需解決的問題。目前，針對該問題現有的研究成果主要是從信息論的角度出發，利用人工加噪，協作干擾等技術設計源節點和目的節點之間的安全傳輸策略，具體可參考文獻S.Goel and R.Negi,“Guaranteeing secrecy using artificial noise,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.7,no.6,pp.2180–2189,June 2008.和文獻J.Huang,A.Mukherjee,and A.L.Swindlehurst,“Secure communication via an untrusted non-regenerative relay in fading channels,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.61,no.5,pp.2536–2550,May 2013等。不過我們需要指出，上述這些方法都是建立在信息論理想假設的基礎之上，即要求源節點的輸入信號服從連續分布，比如高斯分布，同時要求源節點的信道編碼為碼長足夠長的“好碼”。然而實際的協作通信系統通常無法滿足上述理想假設，因為源節點的輸入信號往往是離散信號而不是連續信號，而且源節點的信道編碼長度通常也非常有限，所以，當協作通信系統采用現有的物理層安全傳輸方案時，目的節點接收檢測的誤比特率(BER)性能往往會比較差。

綜上所述，現有的物理層安全傳輸方案中目的節點接收檢測的BER性能比較差。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種可實現物理層安全傳輸的波束成型方法，旨在解決現有的物理層安全傳輸方案中目的節點接收檢測的BER性能比較差的問題。

本發明是這樣實現的，一種可實現物理層安全傳輸的波束成型方法，所述可實現物理層安全傳輸的波束成型方法包括以下步驟：

步驟一，根據網絡規劃的要求，為源節點S分配K個中繼節點；

步驟二，源節點S分別估計S→D直傳鏈路和S→R_k中繼鏈路的信道衰落矢量；

步驟三，源節點S根據S→R_k中繼鏈路的信道增益選擇一個最佳的中繼節點R^*；

步驟四，源節點S對發送的比特信息進行星座映射；

步驟五，源節點S對發送信號進行波束成型并向中繼節點R^*和目的節點D廣播；

步驟六，中繼節點R^*將接收信號進行放大并轉發至目的節點D；

步驟七，目的節點D對源節點S和中繼節點R^*發送的信號進行合并檢測和判決。

進一步，根據網絡規劃的要求，為源節點S分配K個中繼節點與目的節點D進行協作通信，其中，K個中繼節點構成集合R＝{R₁,…,R_k,…,R_K}且k＝1,2,…K。

進一步，根據衰落信道的互易性，源節點S利用目的節點D和中繼節點R_k的反饋信號，分別估計S→D直傳鏈路的信道衰落矢量h_SD和S→R_k中繼鏈路的信道衰落矢量其中k＝1,2,…K。

進一步，所述步驟三具體包括：

第一步，源節點S計算S→R_k中繼鏈路的信道增益其中|| ||表示求向量的長度且k＝1,2,…K；

第二步，源節點S比較K個中繼節點的信道增益Γ_k，從中繼集合R中選擇信道增益最大的一個，將該中繼節點和相應的中繼鏈路的信道衰落矢量分別標記為R^*和

進一步，所述步驟五具體包括：

第一步，利用得到的h_SD和源節點S計算發送信號的波束成形矢量，即其中，()^H表示求矩陣或向量的共軛轉置，()^⊥表示求向量的正交向量，P_S為源節點的發射功率；

第二步，源節點S將發送信號分解為實部和虛部，然后分別進行波束成形，即x_S＝ω_Rs_R+jω_Is_I，其中，s_R和s_I分別是發送信號的實部和虛部。

進一步，所述步驟六具體包括：

第一步，中繼節點R^*計算接收信號的功率歸一化因子，即其中，為中繼節點R^*的接收信號，為中繼點R^*的發射功率，Re{}表示取復信號的實部；

第二步，中繼節點R^*利用β對發送信號進行功率歸一化，然后將信號放大轉發至目的節點，所以中繼節點R^*的發送信號為

進一步，所述步驟七具體包括：

第一步，目的節點D將接收信號寫成向量的形式，即y_D＝[y_D1,y_D2]^T，其中y_D1和y_D2分別表示目的節點D對S→D鏈路和R^*→D鏈路的接收信號；

第二步，目的節點D計算S→D鏈路和S→R^*→D鏈路聯合的等效信道矩陣，即：

第三步，利用最小均方誤差準則，目的節點D對接收信號進行合并檢測，合并檢測的輸出信號為：

其中，和表示目的節點D對源節點S發送信號的實部和虛部的估計，表示R^*→D鏈路的信道衰落系數，N₀表示目的節點D的接收高斯白噪聲的方差，| |表示求復數的模，()^-1表示求矩陣的逆；

第四步，目的節點D對合并檢測的輸出結果進行判決從而得到源節點S發送的比特信息。

本發明的另一目的在于提供一種利用所述可實現物理層安全傳輸的波束成型方法的分布式通信系統。

本發明的另一目的在于提供一種利用所述可實現物理層安全傳輸的波束成型方法的移動Ad-hoc網絡。

本發明的另一目的在于提供一種利用所述可實現物理層安全傳輸的波束成型方法的用戶直連通信系統。

本發明提供的可實現物理層安全傳輸的波束成型方法，提出的波束成型方案可以實現源節點和目的節點之間的信息不被中繼節點竊取的前提下，獲得中繼節點參與協作轉發帶來的空間分集增益，從而提升目的節點接收檢測的BER性能。針對采用本發明提出的波束成形方案的多中繼協作通信系統，利用計算機對目的節點和中繼節點的誤比特率進行了比較，采用本發明提出的波束成型方案，目的節點接收檢測的BER性能明顯要比現有的人工加噪方案和協作干擾方案的性能要更優。采用本發明提出的波束成型方案，在整個信噪比范圍內，中繼節點的BER始終保持在0.5，而采用人工加噪方案和協作干擾方案，中繼節點的BER基本保持在0.1到0.4之間。以上仿真結果說明，協作通信系統采用本發明提出的波束成型方案可以在收發節點之間的安全通信與接收節點的接收檢測這兩方面都可以獲得更好的性能。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的可實現物理層安全傳輸的波束成型方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統的模型示意圖。

圖3是本發明實施例提供的實施例1的實現流程圖。

圖4是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統采用QPSK調制時的星座映射集合示意圖。

圖5是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統采用8PSK調制時的星座映射集合示意圖。

圖6是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統采用16QAM調制時的星座映射集合示意圖。

圖7是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統采用本發明的波束成型方案和現有的人工加噪方案和協作干擾方案，目的節點的誤比特率曲線示意圖。

圖8是本發明實施例提供的多中繼協作通信系統采用本發明的波束成型方案和現有的人工加噪方案和協作干擾方案，中繼節點的誤比特率曲線示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明的源節點根據直傳鏈路和中繼鏈路的信道狀態信息對發送信號的實部和虛部分別進行波束成型，而且虛部的波束成型矢量與中繼鏈路的信道衰落矢量滿足正交的關系，這使得中繼節點只能對接收信號進行放大轉發卻無法正確接收解調。而對于目的節點，它可以從源節點和中繼節點發送的信號中獲取完整的信號，從而可以正確地接收解調。所以，本發明提出的波束成型方案可以保證源節點和目的節點之間的信息不被中繼節點竊取的前提下，獲得中繼節點參與協作轉發帶來的空間分集增益。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的可實現物理層安全傳輸的波束成型方法包括以下步驟：

S101：根據網絡規劃的要求，為源節點分配中繼節點；

S102：源節點分別估計直傳鏈路和中繼鏈路的信道衰落矢量；

S103：源節點根據中繼鏈路的信道增益選擇一個最佳的中繼節點；

S104：源節點對發送的比特信息進行星座映射；

S105：源節點對發送信號進行波束成型并向中繼節點和目的節點廣播；

S106：中繼節將接收信號進行放大并轉發至目的節點；

S107：目的節點對源節點和中繼節點發送的信號進行合并檢測和判決。

下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。

實施例1：

本發明實施例采用的多中繼協作通信系統的模型如圖2所示，其中S為源節點，R₁,…,R^*,…,R_K為中繼節點集合，D為目的節點。源節點配備N個發射天線，而目的節點和每個中繼節點都只配備一個天線，所有節點都工作在時分雙工模式。在廣播階段，源節點S發射信號，目的節點D和中繼節點R^*接收信號；在協作階段，中繼節點R^*發射信號，目的節點D接收信號，而源節點保持靜止。

如圖3所示，本發明實施例的實現步驟如下：

步驟1，根據網絡規劃的要求，為源節點S分配K個中繼節點與目的節點D進行協作通信，其中，K個中繼節點構成集合R＝{R₁,…,R_k,…,R_K}且k＝1,2,…K。

步驟2，根據衰落信道的互易性，源節點S利用目的節點D和中繼節點R_k的反饋信號，分別估計S→D直傳鏈路的信道衰落矢量h_SD和S→R_k中繼鏈路的信道衰落矢量其中k＝1,2,…K。

步驟3，源節點S根據S→R_k中繼鏈路的信道增益選擇一個最佳的中繼節點R^*，具體步驟如下：

3a)源節點S計算S→R_k中繼鏈路的信道增益其中|| ||表示求向量的長度且k＝1,2,…K；

3b)源節點S比較K個中繼節點的信道增益Γ_k，從中繼集合R中選擇信道增益最大的一個，將該中繼節點和相應的中繼鏈路的信道衰落矢量分別標記為R^*和

步驟4，源節點S對比特信息進行星座映射，根據調制階數的不同需要選擇不同的星座集合來進行映射，具體的對應關系如下：

當采用QPSK調制時，星座集合如圖4所示。

當采用8PSK調制時，星座集合如圖5所示。

當采用16QAM調制時，星座集合如圖6所示。

對于更高階的調制，比如64QAM和256QAM，星座映射可以參考以下文獻給出的星座集合：S.Pfletschinger and F.Sanzi,“Error floor removal for bit-interleaved coded modulation with iterative detection,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.5,no.9,pp.3174–3181,Sep.2006；D.Torrieri and M.Valenti,“Constellation labeling maps for low error floors,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.7,pp.5401–5407,Dec.2008。

步驟5，源節點S對發送信號進行波束成型，然后將信號發送至中繼節點R^*和目的節點D，具體步驟如下：

5a)利用步驟2和3得到的h_SD和源節點S計算發送信號的波束成形矢量，即和其中，()^H表示求矩陣或向量的共軛轉置，()^⊥表示求向量的正交向量，P_S為源節點的發射功率；

5b)源節點S將發送信號分解為實部和虛部，然后分別進行波束成形，即x_S＝ω_Rs_R+jω_Is_I，其中，s_R和s_I分別是發送信號的實部和虛部。

步驟6，中繼節點R^*將步驟3中的接收信號進行放大，然后轉發至目的節點，具體步驟如下：

6a)中繼節點R^*計算接收信號的功率歸一化因子，即其中，為中繼節點R^*在步驟5中的接收信號，為中繼點R^*的發射功率，Re{}表示取復信號的實部；

6b)中繼節點R^*利用β對發送信號進行功率歸一化，然后將信號放大轉發至目的節點，所以中繼節點R^*的發送信號為

步驟7，目的節點D利用最小均方誤差準則對接收信號進行合并檢測和判決，從而獲得源節點S發送的比特信息，具體步驟如下：

7a)目的節點D將接收信號寫成向量的形式，即y_D＝[y_D1,y_D2]^T，其中y_D1和y_D2分別表示目的節點D在步驟5和6中的接收信號；

7b)目的節點D計算S→D鏈路和S→R^*→D鏈路聯合的等效信道矩陣，即：

7c)利用最小均方誤差準則，目的節點D對接收信號進行合并檢測，合并檢測的輸出信號為：

其中，和表示目的節點D對源節點S發送信號的實部和虛部的估計，表示R^*→D鏈路的信道衰落系數，N₀表示目的節點D的接收高斯白噪聲的方差,| |表示求復數的模，()^-1表示求矩陣的逆。

7d)目的節點D對合并檢測的輸出結果進行判決從而得到源節點S發送的比特信息。

下面結合仿真對本發明的應用效果作詳細的描述。

1)仿真條件：

假設本發明采用的多中繼協作通信系統中，中繼節點的個數為K＝4，源節點S的天線數為N＝4，所有中繼節點和目的節點都采用單天線。假設所有鏈路的信道衰落系數都是相互獨立且服從瑞利分布。源節點S采用的調制方式是16QAM，具體的星座映射集合如圖6所示。假設源節點S的發送功率P_S和中繼節點R^*的發送功率相等且都為P，即中繼節點R^*和目的節點D的接收噪聲為加性高斯白噪聲且均值為零，方差為N₀。仿真結果中的橫坐標為信噪比，定義為10log₁₀(P/N₀)。

2)仿真內容與結果：

針對多中繼協作通信系統分別采用本發明提出的波束成形方案和和現有的人工加噪方案和協作干擾方案，利用計算機對目的節點和中繼節點的BER進行了比較，仿真結果分別如圖7和圖8所示。從圖7可以看出，采用本發明提出的波束成型方案，目的節點接收檢測的BER性能明顯要比現有的人工加噪方案和協作干擾方案的BER性能更優。另外，從圖8可以看出，采用本發明提出的波束成型方案，在整個信噪比范圍內，中繼節點的BER始終保持在0.5，而采用現有的人工加噪方案和協作干擾方案，中繼節點的BER保持在0.1到0.4之間。所以，以上仿真結果的比較說明，本發明提出的波束成型方案可以保證協作通信系統的收發節點之間實現安全通信的前提下，接收節點的接收檢測具有更好的BER性能。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。