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申请/专利权人：军事科学院系统工程研究院系统总体研究所

摘要：本发明公开了一种无线协同中继系统中鲁棒性物理层安全传输方法，该方法为：首先建立无线协同中继窃听信道模型，在出现信道状态信息误差情况时，最优化问题为最小化有用信号的发射功率，同时满足给定信道状态信泛数误差范围内的合法目标节点最低接收信干噪比约束和每一个中继节点的功率约束；然后利用已知的信道状态信息泛数误差统计知识，得到的合法目标节点接收信干噪比的下界约束；最后将最优化问题转变为一个半定规划问题，并使用内点法进行求解，如果得到的解的秩等于1，则直接使用矩阵分解得到全局最优解；如果得到的解的秩不等于1，则利用高斯随机方法将这个解转化成最优化问题的逼近解。本发明提高了无线协同中继系统的安全性。

主权项：1.一种无线协同中继系统中鲁棒性物理层安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立无线协同中继窃听信道模型，设定信道状态信息CSI误差限制范围，计算合法目标节点的接收信干噪比SINR；步骤2、在出现信道状态信息CSI误差情况时，最优化问题为最小化有用信号的发射功率，同时满足给定信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点最低接收信干噪比SINR约束和每一个中继节点的功率约束；步骤3、利用已知的信道状态信息CSI泛数误差统计知识，得到合法目标节点接收信干噪比SINR的下界；步骤4、将信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点最低接收信干噪比SINR约束，转变为信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点接收信干噪比SINR的下界约束；步骤5、利用S-Procedure原理和半定松弛原理，将最优化问题转变为一个半定规划问题，并使用内点法进行求解；步骤6、如果得到的解的秩等于1，则直接使用矩阵分解得到全局最优解；如果得到的解的秩不等于1，则利用高斯随机方法将这个解转化成最优化问题的逼近解；步骤1所述的建立无线协同中继窃听信道模型，设定信道状态信息CSI误差限制范围，计算合法目标节点的接收信干噪比SINR，具体如下：步骤1.1、建立无线协同中继窃听信道模型；步骤1.2、计算理想的信道状态信息情况下合法目标节点和窃听节点接收到的信号；步骤1.3、计算理想的信道状态信息情况下合法目标节点和窃听节点接收的信干噪SINR；步骤1.4、设定信道状态信息CSI误差限制范围，计算非理想的信道状态信息情况下合法目标节点的接收信干噪比SINR；步骤1.1所述的建立无线协同中继窃听信道模型，具体如下：建立无线协同中继窃听信道模型，由一个发送节点S、n个中继节点{R1,…,Rn}、一个合法的目标节点D和一个窃听节点E组成，其中中继节点数量n＞1；所有节点都配置单根天线，使用半双工模式；使用表示从源节点到所有中继节点的信道增益，使用表示从所有中继节点到合法目标节点的信道增益，使用表示从所有中继节点到窃听节点的信道增益；设定hsr、hrd和he中的每一个元素均为独立同分布的复高斯随机变量，中继节点采用放大转发协议，源节点到合法目标节点和窃听节点之间没有直接的通信链路，即合法目标节点和窃听节点不在源节点的电磁信号覆盖范围内；设定源节点利用信道互易性通过发送训练序列估计而得到所有合法链路的信道状态信息hsr和hrd，但是源节点无法得到窃听链路的任何信道状态信息he；步骤1.2所述的计算理想的信道状态信息情况下合法目标节点和窃听节点接收到的信号，具体如下：在第一个传输阶段，源节点向中继节点发送信号，则中继节点接收到的信号xr＝xr,1,…,xr,nT表示为： 其中，P为源节点信号的发送功率，是具有协方差矩阵为的零均值高斯白噪声矢量，In为n×n的单位阵；在第二个传输阶段，中继节点利用分布式波束成形技术来协作转发接收到的信号，中继节点将接收到的信号xr乘以发送波束成形矩阵然后进行发送，那么合法目标节点接收到的信号yd表示为： 其中，是方差为的零均值高斯白噪声；窃听节点接收到的信号ye表示为： 其中，是方差为的零均值高斯白噪声；步骤1.3所述的计算理想的信道状态信息情况下合法目标节点和窃听节点接收的SINR，具体如下：由于中继节点采用分布式波束成形技术的同时发送人工噪声，将中继节点发送的人工噪声记为中继节点对xr乘以发送波束成形矩阵Wb，所以中继节点发送的信号矢量yr＝yr,1,…,yr,nT表示为：yr＝Wbxr+nan中继节点发送有用信号的功率Ps表示为： 其中，w＝w1,…,wnT，Rsr＝diag|hsr,1|2,…,|hsr,n|2；设第i个中继节点的最大发送功率为Pi，中继节点除了发送有用信号外，用剩余的功率发送人工噪声以干扰潜在窃听节点，则n个中继节点的人工噪声总功率为合法目标节点的接收信号yd重新表示为： 其中，nd是方差为的零均值高斯白噪声；窃听节点接收到的信号ye重新表示为： 其中，ne是方差为的零均值高斯白噪声；为了防止合法链路受到人工噪声干扰，则人工噪声应该位于合法链路hrd的零空间上，即满足于是得到：nan＝Πv其中，Π是hrd的零空间中的一组正交基且满足ΠΠH＝In，v为零均值单位方差的i.i.d的高斯随机矢量；合法目标节点的接收SINR表示为SINRL： 其中，rh＝hsr,1hrd,1,…,hsr,nhrd,nT，Rrd＝diag|hrd,1|2,…,|hrd,n|2；窃听节点的接收SINR表示为SINRE： 其中，reh＝hsr,1he,1,…,hsr,nhe,nT，Re＝diag|he,1|2,…,|he,n|2；步骤1.4所述的设定信道状态信息CSI误差限制范围，计算非理想的信道状态信息情况下合法目标节点的接收信干噪比SINR，具体如下：在实际通信中，由于多普勒扩展的存在，源节点获得的信道状态信息存在误差，因此将信道状态信息误差限制在一个球形域内：S＝{erd∈Cn×1:||erd||2≤nρ2,ρ＞0}在非理想的信道状态信息情况下，人工噪声位于信道状态信息估计的零空间上，那么非理想的信道状态信息情况下合法目标节点的接收信干噪比SINRLI表示为： 其中，步骤2所述的在出现信道状态信息CSI误差情况时，最优化问题为最小化有用信号的发射功率，同时满足给定信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点最低接收信干噪比SINR约束和每一个中继节点的功率约束，具体如下：在出现信道状态信息CSI误差情况时，最小化有用信号的发射功率，同时合法目标节点满足最低的接收SINR约束以及每个中继节点的功率也满足一定的约束，然后将剩余的功率用于发送人工噪声来干扰潜在的窃听者，该方案的最优化问题写为如下形式： 其中，λ表示合法目标节点能够实现可靠通信情况下的接收SINR比阈值；步骤3所述的利用已知的信道状态信息CSI泛数误差统计知识，得到合法目标节点接收SINR的下界，具体如下：利用已知的信道状态信息CSI泛数误差统计知识||erd||2≤nρ2，得到合法目标节点接收SINR的下界，具体如下：SINRLI≥SINRl其中，步骤4所述的将信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点最低接收信干噪比SINR约束，转变为信道状态信息CSI泛数误差范围内的合法目标节点接收信干噪比SINR的下界约束，具体如下：将最优化问题1转换为： 将最优化问题2中的第一个约束条件重新表示为： 其中，

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