基于非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为基于非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法。

背景技术

随着无线通信基础设施和服务不断增加以应对快速增长的通信需求，越来越多的无线设备被接入网络，却被庞大而杂乱的正交资源分配调度所限，难以达到预期未来通信技术的发展指标。同时，非法的网络犯罪活动，如恶意黑客攻击、数据窃听、信息盗窃等，也随着更多设备的接入而不断发酵，引发极大的安全问题。而非正交多址接入(NOMA)技术，因其具有的高传输速率、高频谱效率和高用户密度等优点，成为未来资源受限移动网络的发展方向，正因为如此，与非正交多址接入系统有关的无线传输安全性问题应格外受到重视，以应对当前和今后海量用户接入场景下，帮助保障无线通信系统对抗恶意窃听的保密性能。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中不能保证私密节点安全的问题，提出基于非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法，包括发射端和接收端，所述发射端执行如下步骤：

步骤一：将不同节点的信息进行预编码，得到预编码向量w，预编码向量w与基站到用户的信道需符合下式：

|h

其中，h

步骤二：将预编码向量w进行优化得到发射信号，所述优化具体为：

当基站处的窃听信道已知时，优化表示为：

s.t.|h

其中，P

当窃听者信道未知时，则判定私密节点是否为距离基站最远的节点，若是，则优化表示为：

s.t.|h

其中，

否则，优化表示为：

s.t.|h

其中，w

所述发射端执行如下步骤：

步骤三：接收信号，并将接收到的信号进行解调。

进一步的，所述步骤三中解调包括用户处解调和窃听处解调。

进一步的，所述用户处解调表示为：

其中，w

进一步的，所述窃听处解调表示为：

其中，w

进一步的，所述天线数量M为3。

进一步的，所述发射端的功率P

本发明的有益效果是：

本申请是针对非正交多址接入技术的物理层安全方案设计。与传统的正交多址接入系统比起来，非正交多址接入网络在功率域中叠加多个节点的信号，并合理利用节点与发射端之间的信道增益差。在非正交多址接入系统的发射端，不同节点所需的信号被叠加，然后所产生的信号通过相同的时频资源传输；在非正交多址接入网络的接收端，使用串行干扰删除的多用户解调算法来依次解码所需信号。本申请弥补了非正交多址接入网络为了实现串行干扰删除，造成较弱信道节点总是被分配更大的发射功率，从而面对窃听攻击更脆弱的缺点。本申请妥善灵活应用联合预编码技术，基于物理层优化思想，建立全面的安全方案，保障了不同情况下、不同私密节点的保密传输需求。

本申请作为非正交多址接入系统中安全传输的新方案，为了解决下行非正交多址网络中的窃听风险，本申请利用发射端所提出的联合预编码优化、接收端所改进后的灵活的串行干扰消除来保证私密节点的安全。当窃听的信道信息在发射端处可用时，预编码向量被联合优化以最大化总保密速率，并通过二阶锥规划和相应转换将该问题转化为凸优化进行处理，因此，可以有效地计算原始问题的次优解，有效提升了网络的总保密速率；对于窃听信道信息不可用的情况，本申请所设计方案首先考虑到私密节点不是发射端相对最远的节点，并且通过联合预编码优化来最大化距离更近的节点的发送功率，以保证私密节点的安全，接着，当距离发射端最远的节点需要私密传输时，本发明提出的串行干扰解调顺序不同于传统的非正交多址接入网络，这种改进的串行干扰解调顺序和预编码优化可用于确保最远节点的安全，本申请的灵活性和适用性进而为非正交多址接入系统中不同场景的私密传输都提供了重要的技术参考。

附图说明

图1为非正交多址接入网络构建示意图；

图2为合法节点处的串行干扰删除过程的两用户情况示意图；

图3为随着算法迭代，总保密传输速率的变化示意图；

图4为随着不同Ps和M，非正交多址网络与正交多址接入的对比图；

图5为随着不同Ps，M和d

图6为随着不同Ps和r

图7为随着不同Ps和r

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

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非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法，包括以下步骤：

步骤1、建立非正交多址接入系统的多节点模型，并有一个潜在窃听者；

步骤2、此步骤为M根天线的多天线基站的预编码过程，即将不同节点的信息在发射前配备与之对应的预编码向量。由于非正交多址接入网络和其解调的特殊性，预编码w与基站到用户的信道需符合下式：

|h

基于此，为了最大化提升非正交多址接入网络的总保密性能，本发明所提出的不同情况下的优化问题为：

2.1)当基站处的窃听信道已知时，非正交多址接入系统所有节点都可根据本发明所提出的算法私密传输，最大化总保密速率的物理层安全设计方案如下：

这里网络发射处的总功率阀值是P

2.2)在窃听者信道未知时，本发明采取合理方案提高一个或多个私密节点的防窃听性能：具体地说，当认为私密节点不是网络中与基站距离最远的节点时，本发明最大化与基站的距离大于私密节点的节点们的发射功率，设计方案如下：

s.t.|h

这样，私密信息就可以隐藏在这些节点的较大功率信息之中，从而增强其安全性；

2.3)当距离基站最远的节点需要私密传输，由于私密节点的变化，本发明中的串行干扰解调的顺序被灵活修改为|h

s.t.|h

步骤3、此步骤为接收处节点以及潜在窃听者处的解码阶段；

5.1)非正交多址节点i处的信息为

5.2)对窃听端来说，窃听者解调节点i的信息的速率如下式：

值得注意的是，此式是为了衡量本发明的性能效果，并不需要参与本发明设计的技术中。

步骤4、此步骤下非正交多址发射端接着发送下一时刻的信息，跳到步骤2解出联合预编码编码的解并发送，接着步骤3进行不同接收端处的解调步骤。

本申请是为了集中于非正交多址接入系统的安全传输问题，在系统中有窃听者存在的情况下，设计相关物理层安全方案和采取针对性的措施，提高无线下行传输的非正交多址接入网络的安全性。具体来说，本申请基于非正交多址接入网络，首要目标是在非正交多址接入系统所有节点都需要私密传输时，最大化总保密速率的物理层安全设计方案。并在窃听者信道信息未知的情况下，采取合理方案提高一个或多个私密节点的防窃听性能：比如当认为私密节点不是网络中与基站距离最远的节点时，本申请所提出方案最大化了与基站的距离大于私密节点的节点们的发射功率。这样，私密信息就可以隐藏在这些节点的较大功率信息之中，从而增强其安全性；而当距离基站最远的节点需要私密传输，由于私密节点的变化，串行干扰解调的顺序被灵活修改，能对窃听者提供大部分干扰的节点也发生了灵活变化。本申请核心思想在于，利用非正交多址接入系统中的调制和解调优势，灵活设计和采用物理层安全思想，使之适用不同情况下、不同私密节点的安全需求。

基于多节点的非正交多址接入系统面对潜在窃听场景，本申请以联合预编码安全优化为核心思想，保障不同场景下系统中私密节点的安全性能。

实施例1

步骤1、建立非正交多址接入系统的多节点模型，如图1所示(BS为发射基站，UE-1到UE-K是接入网络的K个节点，Eav为窃听端)，存在3个非正交多址接入节点，并有一个潜在窃听者；假设窃听者可以作为网络中的注册用户。距离分别为45米，250米及50米，信道噪声是10

步骤2、此步骤为3根天线的多天线基站的预编码过程，即将不同节点的信息在发射前配备与之对应的预编码向量，最大化提升非正交多址接入网络的总保密性能；当基站处的窃听信道已知时，非正交多址接入系统所有节点都可根据本发明所提出的算法私密传输，利用本发明最大化总保密速率的物理层安全设计方案对预编码向量设计和优化。如图3所示，当发射端功率阀值从10毫瓦到100毫瓦变化的过程中，本发明所提出的迭代算法很快收敛，得到对应的解。在图4中，不同Ps和M，非正交多址网络与正交多址接入的对比可以看出，非正交多址网络比正交多址接入的高出很多，进一步验证本发明在提升频谱效率的同时保障了安全传输的优越性。在图5中，研究了不同Ps，M和d

步骤3、此步骤为接收处节点以及潜在窃听者处的解码阶段；其中，合法节点根据串行干扰删除获取自身所需信息，具体举例如图2所示；

步骤4、此步骤下非正交多址发射端接着发送下一时刻的信息，跳到步骤2解出联合预编码编码的解并发送，接着步骤3进行不同接收端处的解调步骤。

实施例2

本发明提供的非正交多址接入技术的联合优化预编码对抗窃听方法，在窃听者信道信息未知的情况下，也能采取合理方案提高私密节点的防窃听性能。

具体实施为，在图6中，认为私密节点不是网络中与基站距离最远的节点，本发明所提出方案最大化了与基站的距离大于私密节点的节点们的发射功率。这样，私密信息就可以隐藏在这些节点的较大功率信息之中，从而增强其安全性。并采取M为3根，d

而当距离基站最远的节点需要私密传输，由于私密节点的变化，串行干扰解调的顺序被灵活修改，能对窃听者提供大部分干扰的节点也发生了灵活变化。为了更全面地研究本发明所提出方案为非正交多址接入网络带来的安全保障，在图7中，采取M为3根，d

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。