一种认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统

本发明涉及无线电通信，具体地指一种认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统。

背景技术：

1、众所周知，认知无线电(cr)是通过利用频谱共享来提高频谱效率的有效技术。然而，由于无线信道的开放性和对手越来越强大，cr容易受到恶意攻击，如认知用户信息泄露、被窃听等。因此，解决cr系统的信息安全和隐私问题至关重要。

2、迄今为止，已有大量文献研究了cr系统的安全问题，主要包括三类。首先是从上层应用程序的角度，借助加密技术保护信息内容。然而，加密技术需要消耗大量的计算资源，并且主要用于网络层及以上，这可能导致cr系统的保密基础薄弱。在此基础上，第二种是从物理层的角度利用各种物理层安全(pls)技术来解决安全问题。然而，加密和pls技术更注重保护cr系统中的信息传输内容。在军事通信等一些应用场景中，高度敏感的数据传输需要更高级别的安全性，仅依靠加密和pls是不够的。在这种背景下，近年来，隐藏通信存在的隐蔽通信被广泛采用。

3、目前，已有发明研究cr中的隐蔽通信。但他们中的大多数旨在研究次级用户的隐蔽通信。但在某些情况下，主用户将传输敏感信息，如银行卡和个人医疗记录等，这强烈要求更高级别的通信隐私。

4、基于上述动机，本发明开发了一个隐蔽协作cr(cccr)系统，该系统专注于在窃听者(eve)存在的情况下，在overlay和underlay两种模式下进行主用户和次级用户的隐蔽通信。同时，我们考虑了主用户和次级用户在不同模式和阶段的隐蔽传输性能。最后，分别分析了两种模式下窃听者的错误检测概率和隐蔽性能。数值结果表明，主用户和次级用户分别可以在underlay模式和overlay模式下获得更好的隐蔽性能。

5、在中国专利文献cn115603854a中记载了一种面向认知无线电网络的无人机协同干扰隐蔽通信方法，该发明提出的是利用无人机协同来实现隐蔽通信的方法，与本发明提出的隐蔽协作认知无线电系统存在明显的区别技术特征。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决上述背景中，在最小错误检测概率满足给定隐蔽约束条件下，最大化pr和sr处的隐蔽速率，提出一个cccr系统，它包括一对主用户和一对次级用户，主用户和次级用户是合作的，pt可以直接向pr传输或寻求st的帮助；作为回报，st能够借助pt的频谱传输自己的信息。

2、优选的方案中，以在最小错误检测概率满足给定隐蔽约束条件下，最大化pr和sr处的隐蔽速率为目标优化问题的定义如下：

3、在overlay模式下：

4、

5、

6、

7、其中∈表示给定隐蔽约束条件，表示overlay模式下pr处的隐蔽速率，表示overlay模式下sr处的隐蔽速率，表示overlay模式下eve处的最小错误检测概率；

8、在underlay模式下：

9、

10、

11、

12、其中∈表示给定隐蔽约束条件，表示underlay模式下pr处的隐蔽速率，表示underlay模式下sr处的隐蔽速率，表示underlay模式下eve处的最小错误检测概率。

13、优选的方案中，针对给定时隙提出一个时隙发射机协议分两个阶段，在第一阶段，pt传输信息持续时间为μt；在第二阶段，st转发pt的信息并在(1-μ)t的时间内传输其自身的信息，其中0<μ<1称为时间分配比，st还配备了两个天线并在全双工模式下运行，其他节点在半双工模式下使用单个天线运行；干扰功率在区间[0,pmax]内均匀分布，概率密度函数由下式给出：

14、

15、其中p表示pt和st发送的干扰功率。

16、优选的方案中，pt处的传输：在第一阶段，pt向pr和st发送信息，而st向eve发送干扰；

17、在overlay模式下，pr和st处的接收信号由下式给出：

18、

19、

20、其中ppt和p分别是pt和st的干扰功率，hps、hss和hpr分别表示pt到st、st到自身和pt到pr的信道增益，用和表示；|hps|2、|hss|2和|hpr|2分别以和的均值呈指数分布；st和pr处接收的实值信号由表示，st处接收的自干扰信号由表示，其中t＝1,2,...,n是每个信道使用的索引，n是每个传输时隙中的信道使用总数，n趋于无穷大，φ表示自干扰抵消系数，其中0<φ≤1对应于an信号的不同抵消水平，和分别表示st和pr的加性高斯噪声；

21、在underlay模式下的第二阶段，pr处接收的信号由下式给出：

22、

23、其中θ是指pt处的功率分配比，其中从pt分配到pr的传输功率为(1-θ)p，从pt分配给eve的干扰功率为θp。

24、优选的方案中，st能够在转发pt信息的同时利用其频谱来传输自己的信息；

25、在overlay模式下，当st向pr和sr发送信息时，pt向eve发送an，st发送的信息由下式表示：

26、

27、其中是放大系数，在pr和sr处接收的信号分别由下式给出：

28、

29、

30、其中hsp和hsr分别表示从st到pr和sr的信道增益，表示为和hsp和hsr分别服从均值为和的指数分布；pst是st的发射功率，η被称为st处的功率分配比，其中从st分配到pr的发射功率为(1-η)pst，从st分配给sr的发射功率是ηpst；表示从st发送到sr的信号；sr处的加性高斯噪声由表示；

31、在underlay模式下，为了不影响pt的传输，st的传输功率受到限制，表示为：

32、

33、在第二阶段，在pr和sr处接收的信号分别由下式给出：

34、

35、

36、本发明的有益效果为：

37、1)本发明在cccr系统中开发了一个新的框架，其中pt和st进行隐蔽传输，同时，为避免被eve检测到，pt和st相互向eve发送干扰信息。

38、2)本发明在overlay和underlay两种模式下，获得eve的最小检测误差概率的封闭表达式，结果表明，干扰功率对eve的检测误差概率有较大影响。

39、3)对本发明中pr和sr的隐蔽性能，包括隐蔽速率和隐蔽中断概率进行了全面的仿真。结果表明，pr在overlay模式下可以获得更好的性能，而sr在underlay模式下可以实现更好的性能。

40、4)对本发明中st的自干扰对隐蔽性能的影响进行了仿真。结果表明，自干扰对隐蔽传输几乎没有影响本发明通过逆向归纳法对提出的博弈模型进行分析，并且证明了cs和es之间存在唯一的纳什均衡；然后设计了一种基于梯度的迭代搜索算法(gisa)，以获得最优解。

技术特征：

1.一种认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，其特征在于：在最小错误检测概率满足给定隐蔽约束条件下，最大化pr和sr处的隐蔽速率为优化目标的一个cccr系统，它包括一对主用户和一对次级用户，主用户和次级用户是合作的，pt可以直接向pr传输或寻求st的帮助；作为回报，st借助pt的频谱传输自己的信息。

2.根据权利要求1所述认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，其特征在于：以在最小错误检测概率满足给定隐蔽约束条件下，最大化pr和sr处的隐蔽速率为目标优化问题的定义如下：

3.根据权利要求1所述认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，其特征在于：针对给定时隙提出一个时隙发射机协议分两个阶段，在第一阶段，pt传输信息持续时间为μt；在第二阶段，st转发pt的信息并在(1-μ)t的时间内传输其自身的信息，其中0<μ<1称为时间分配比，st还配备了两个天线并在全双工模式下运行，其他节点在半双工模式下使用单个天线运行；干扰功率在区间[0,pmax]内均匀分布，概率密度函数由下式给出：

4.根据权利要求2所述认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，其特征在于：在第一阶段，pt向pr和st发送信息，而st向eve发送干扰；

5.根据权利要求3所述认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，其特征在于：在overlay模式下，当st向pr和sr发送信息时，pt向eve发送an，st发送的信息由下式表示：

技术总结
本申请提供一种认知无线电中基于协作干扰的隐蔽传输系统，该系统以在最小错误检测概率满足给定隐蔽约束条件下，最大化PR和SR处的隐蔽速率为优化目标，专注于在窃听者（Eve）存在的情况下，在overlay和underlay两种模式下进行主用户和次级用户的隐蔽通信。它包括一对主用户和一对次级用户，主用户和次级用户是合作的，PT可以直接向PR传输或寻求ST的帮助；作为回报，ST能够借助PT的频谱传输自己的信息，解决了在无线电系统通信过程中的信息安全和隐私问题。

技术研发人员：陈芮,杨佳,周欢
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15