CN102355661A - 基于非再生中继方式的中继转发的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法和装置，包括：源节点所属服务区内的各个中继节点，根据获得其和源节点之间的信道状态信息、以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点；源节点收到中继节点发送的信道信息后，根据该信道信息从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息，被选中的中继节点通过非再生中继方式，协同源节点向目的节点进行信息传输。应用本发明，极大降低了网络信令负荷和计算复杂度的同时，保证了系统保密容量，而且系统结构简单，性能代价比高。

Description

基于非再生中继方式的中继转发的控制方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法和装置。

背景技术

由于无线传输媒介的广播特性，传播范围内的无线终端都可能收到来自源节点的信息。这样原本由源节点发送至目标节点的信息有可能被其他节点窃听到，从而导致保密性降低，信息无法被安全传输。因此无线通信系统的保密性成为人们关注的热点。已有的信息安全研究多集中于物理层上层保密协议的研究，即对物理层传输数据进行封装之后，利用保密协议来保证信息传输安全。

目前研究人员将重点转移到如何在不进行上层加密的前提下，提高无线通信系统的保密容量，即如何使得窃听节点无法或者尽可能少的获取源节点发送到目的节点的信息。研究人员将源节点S到目的节点D之间的容量，与源节点S和窃听节点E之间的容量的差值称为保密容量。

同时，在传统的蜂窝网络中，如果目的节点处在不能和源节点通信的一些区域，例如小区边缘，或者在被高大建筑物遮挡等收不到源节点信号的地方，会导致源节点与目的节点之间无法通信，或者信号较差，掉话率提高。如果在原有设施的基础上，在源节点和目的节点之间增加一些中继节点，或者部分源节点/目的节点作为中继节点转发信息，可以改善源节点和目的节点之间的链路质量，从而提高系统性能。因此，中继技术的研究对新一代无线通信系统具有重要意义。

在中继技术的研究中，根据转发信息的不同，中继可以分为非再生中继和再生中继。非再生中继是简单放大接收信息并将其发送给用户。再生中继是中继站对接收信息进行解码并重新编码之后发送给用户。

鉴于中继技术的优势，将物理层信息安全与中继相结合成为无线领域内的一个新的研究热点。研究中发现当中继节点靠近目的节点时，源节点到目的节点之间的容量大于窃听链路的容量。因此，在有保密容量限制的协同中继系统中，中继选择是一种提高系统性能且减少实现复杂度的有效方法。与此同时，人们发现当有其他节点协助源节点发送干扰，即目的节点和窃听节点都收到干扰信息，而目的节点已知这些干扰信息时，可以有效提高系统的保密容量。

当源节点和目的节点之间存在多个中继节点时，已有的将物理层信息安全与中继相结合的工作多集中在再生中继系统中：第一阶段源节点向多个中继节点广播发送信息，然后系统从可以成功解码的中继节点中选择最优节点进行转发，然后从其他中继节点中选择一个干扰节点发送干扰；第二阶段被选中的中继节点解码并重新编码后向目的节点转发，干扰节点发送干扰信息。窃听节点可以接收到第二阶段中继节点和干扰节点发送的信息。但是从系统实际工作的角度出发，再生中继的方式对于系统实现来说，复杂度较高。

由此可见，当前保证系统的保密容量时，采用再生中继方式的中继转发过程中，导致系统复杂度高，因此当前需要一种基于非再生中继方式的技术方案来实现中继转发的控制，保证了系统的保密容量的同时，且系统结构简单，容易实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法和装置，解决了在保证系统的保密容量的前提下，如何采用非再生中继方式的实现中继转发的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法，包括：

源节点所属服务区内的各个中继节点，根据获得其和源节点之间的信道状态信息、以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点；

源节点收到中继节点发送的信道信息后，根据该信道信息从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息，被选中的中继节点通过非再生中继方式，协同源节点向目的节点进行信息传输。

所述的控制方法，其中，所述各个中继节点根据获得其和源节点之间的信道状态信息、以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点的步骤，包括：

各个中继节点测量其和源节点、以及其和目的节点之间的信道系数后，计算其和源节点、以及其和目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，反馈给源节点。

本发明还提供了又一种中继转发的控制装置，包括：获取信息单元，用于获取源节点所属服务区内的各个中继节点和源节点之间的信道状态信息、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道状态信息；

计算单元，用于根据获取的所述信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息；及

中继节点选择单元，用于根据计算得到的所述信道信息，从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息。

所述的控制装置，其中，所述获取信息单元是通过测量所述各个中继节点和源节点，以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数，获取所述信道状态信息；

所述计算单元是通过计算所述各个中继节点和源节点、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，来计算进行中继选择所需要的信道信息。

应用本发明，通过基于非再生中继方式的中继转发的控制方法，解决了中继转发中保证了系统的保密容量的问题，且系统结构简单，极大降低了网络信令负荷和计算复杂度的同时，保证了系统保密容量，性能代价比高，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明的一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法的流程图；

图2为本发明的中继转发的控制装置的结构示意图；

图3为本发明的实例中一单源多中继的无线通信系统模型的示意图；

图4为本发明的实例的中继选择方法的流程图；

图5为采用本发明的中继选择方法与随机进行中继选择的保密容量的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明适用于存在窃听端的单源多中继系统的中继选择、转发方法和中继设备。

如图1所示，本发明的一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法，包括以下步骤：

步骤110、确定源节点所属服务区内的中继节点；

根据网络规划要求，在蜂窝系统中设置多个中继站。通过信令传输，源节点确定其服务区内的中继节点，将这些中继节点都作为待选中继节点。

步骤120、各中继节点根据获得其和源节点之间的信道状态信息，以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点；

待选中继节点获得各自和源节点之间的信道系数，以及和目的节点之间的信道系数，然后计算信道系数的模。然后每个中继节点比较得到二者中的较小值，反馈给源节点。

具体包括以下步骤，

步骤1201、每个中继节点测量各自和源节点、目的节点之间的信道系数。

步骤1202、每个中继节点计算各自和源节点、目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，反馈给源节点。

步骤130、源节点收到中继节点发送的信道信息后，根据该信息进行中继节点的选择，从待选中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，次大的一组中继节点发送干扰信息；

步骤140、源节点通过信令通知被选中的中继节点后，被选中的中继节点通过非再生中继方式协同源节点进行信息传输。

未被选中的中继节点继续保持待命状态。

按照设定的周期，各个节点循环执行上述步骤。即该中继节点定期更新所述信道状态信息，以进行下一次中继选择。源节点发送信息，并且使用被选中的中继节点协同转发。

如图2所示，本发明的中继转发的控制装置，包括：中继节点确定单元201、获取信息单元202、计算单元203及中继节点选择单元204，其中，

所述中继节点确定单元201，用于确定源节点所属服务区内的各个中继节点；

所述获取信息单元202，用于获取源节点所属服务区内的各个中继节点和源节点之间的信道状态信息、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道状态信息；

所述计算单元203，用于根据获取的所述信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息；

所述中继节点选择单元204，用于根据计算得到的所述信道信息，从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息。

所述中继节点确定单元201是通过信令传输，确定源节点的服务区内的各个中继节点。

所述获取信息单元202是通过测量所述各个中继节点和源节点，以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数，获取所述信道状态信息；

所述计算单元203是通过计算所述各个中继节点和源节点、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，来计算进行中继选择所需要的信道信息。

所述中继节点选择单元204，还用于将选中的中继节点通过非再生中继方式，协同源节点向目的节点进行信息传输。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

如图3所示，假设一个单源多中继的无线通信系统模型的环境，系统中包括一个源节点(S)、M_R个中继节点

和一个目的节点。其中自然数下标代表中继节点的序号，源节点和目的节点之间没有直传链路，通过多个中继节点向目的节点传输信息。假设源节点、中继节点和目的节点均配备单根天线，源节点和各中继节点发射功率分别为为P_S和P_R。

表示源节点与第i个中继节点之间的信道，

表示第i个中继节点与目的节点之间的信道，

表示第i个中继节点与窃听节点之间的信道。假设源节点与中继节点，中继节点与目的节点之间的信道为准静态信道，在两跳传输阶段保持不变。信道噪声均为加性白高斯噪声。

第一阶段，假设S要发射给目的节点的信息为x_S，选择第i个中继节点转发信息，第j个中继节点发送干扰信息，n_Ri为第i个中继节点的噪声值，那么第i个中继节点的接收信息y_Ri可以表示为：

$y_{R_i}=\sqrt{P_S}{h}_{{\mathrm{SR}}_i}{x}_S+n_{R_i},$

假设第i个中继节点的转发系数为β_i，则其转发信息x_Ri可以表示为：

$x_{R_i}={\mathrm{\β}}_i{y}_{R_i},$

其中

${\mathrm{\β}}_i^{-2}=P_S{\left|h_{{\mathrm{SR}}_i}\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2;$

σ²为第i个中继节点的噪声功率值；

第二阶段假设目的节点已知第j个中继节点发送的干扰信息，目的节点的接收信息y_D可以表示为：

$y_D=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}D}{x}_{R_i}+n_D;$

n_D为目的节点的噪声值；

窃听节点的接收信息y_E可以表示为：

$y_E=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}E}{x}_{R_i}+\sqrt{P_R}{h}_{R_{j}E}{x}_{R_j}+n_E;$

其中，n_E为窃听节点的噪声值；第i个中继节点转发给目的节点和窃听节点的信息为

第j个中继节点发送给目的节点和窃听节点的干扰信息为

为第i个中继节点与目的节点之间的信道，

为第i个中继节点与窃听节点之间的信道，P_R为所述源节点所属服务区内的各个中继节点的发射功率。

其中中继节点、目的节点和窃听节点的接收噪声均服从独立同高斯分布，方差为

和

本发明的中继选择方法如图4所示，具体实施步骤如下：

步骤401、根据网络规划要求，在蜂窝系统中设置多个中继站。通过信令传输，源节点确定其服务区内的中继节点，将这些中继节点都作为待选中继节点。

步骤402、待选中继节点R_i获得S →R_i信道

和R_i→D信道

的状态信息，并且计算进行中继选择所必需的信道信息，反馈给源节点。具体操作如下：

步骤4021、每个中继节点获得各自和源节点之间信道系数

和目的节点之间信道系数

步骤4022、每个中继节点计算各自和源节点之间信道系数以及和目的节点之间信道系数

的模值，再比较得到二者中的较小值，反馈给源节点。

步骤403、源节点接收到中继节点传来的反馈信息后，根据这些信息进行中继节点的选择，从待选中继节点中选择所反馈的数值最大的一个中继节点来转发信息，次大的一个中继节点发送干扰信息。

步骤404、源节点通过信令通知被选中的中继节点。被选中的中继节点协同源节点进行信息传输。未被选中的中继节点继续保持待命状态。

目标节点的SINR(Signal-to-Interference and Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)为：

${\mathrm{\γ}}_D=\frac{{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\·{\mathrm{\γ}}_{R_{i}D}}{{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}+{\mathrm{\γ}}_{R_{i}D}+1}$

其中

${\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}=P_S\frac{{\left|h_{{\mathrm{SR}}_i}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2},$ ${\mathrm{\γ}}_{R_{i}D}=P_R\frac{{\left|h_{R_{i}D}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

窃听节点的SINR为：

${\mathrm{\γ}}_E=\frac{{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\·{\mathrm{\γ}}_{R_{i}E}}{{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{SR}}_i}\·{\mathrm{\γ}}_{R_{j}E}+{\mathrm{\γ}}_{R_{j}E}+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SR}}+{\mathrm{\γ}}_{R_{i}E}+1}$

其中

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SR}}=P_S\frac{{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2},$ ${\mathrm{\γ}}_{R_{i}E}=P_R\frac{{\left|h_{R_{i}E}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2},$ ${\mathrm{\γ}}_{R_{j}E}=P_R\frac{{\left|h_{R_{j}E}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}$

根据保密容量的定义，建立保密容量相关的效应函数：

C_S＝log₂(1+γ_D)-log₂(1+γ_E)

根据上述介绍的中继选择方法的通信系统，进行性能试验和评估。不失一般性的，假设系统配置为M_R＝10，

P_S＝P_R＝1。选择不进行中继选择的方案作为对比，即选择任意两个中继节点分别进行转发信息和发送干扰。评估采用的指标为保密容量。

令ρ_SR，ρ_RD，ρ_RE分别表示γ_SR，

的均值，图5给出了ρ_SR＝ρ_RD，改变ρ_RE情况下的保密容量。其中图示51是采用本发明的中继选择方法的曲线，图示52是随机进行中继选择的曲线，可以看到采用本发明的中继选择方法得到的保密容量比随即选择大得多。

综上所述，与现有技术比较，当前的源节点和目的节点之间如果存在多个中继节点时，则已有的将物理层信息安全与中继相结合的工作多集中在再生中继系统中：第一阶段源节点向多个中继节点广播发送信息，然后系统从可以成功解码的中继节点中选择最优节点进行转发，然后从其他中继节点中选择一个干扰节点发送干扰；第二阶段被选中的中继节点解码并重新编码后向目的节点转发，干扰节点发送干扰信息。窃听节点可以接收到第二阶段中继节点和干扰节点发送的信息。但是从实际系统角度出发，再生中继实现复杂度较高。本发明的中继控制方法适应于非再生中继系统。

同时，当系统中存在窃听节点时，源节点不易获取和窃听节点之间的信道信息，而已有的中继选择方法都是以源节点和窃听节点之间的信道信息为基础的。在本发明提出的中继控制方法中，首创提出了不依赖源节点和窃听节点之间的信道信息的选择办法，且每个中继节点只需向源节点反馈一个实数，反馈信息的数量级控制在O(M_R)(其中M_R是中继节点的数量)，明显减少了系统的信令反馈开销，在实际系统中简单可行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于非再生中继方式的中继转发的控制方法，其特征在于，包括：

源节点所属服务区内的各个中继节点，根据获得其和源节点之间的信道状态信息、以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点；

源节点收到中继节点发送的信道信息后，根据该信道信息从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息，被选中的中继节点通过非再生中继方式，协同源节点向目的节点进行信息传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述各个中继节点根据获得其和源节点之间的信道状态信息、以及其和目的节点之间的信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息，反馈给源节点的步骤，包括：

各个中继节点测量其和源节点、以及其和目的节点之间的信道系数后，计算其和源节点、以及其和目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，反馈给源节点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

所述选定用于转发信息的第i个中继节点的接收信息y_Ri为：

$y_{R_i}=\sqrt{P_S}{h}_{{\mathrm{SR}}_i}{x}_S+n_{R_i},$

其中，源节点需要发送给目的节点的信息为x_S，选择第i个中继节点转发信息，

为源节点与第i个中继节点之间的信道，P_S为源节点的发射功率，n_Ri为第i个中继节点的噪声值；

若第i个中继节点的转发系数为β_i，则第i个中继节点的转发信息x_Ri为：

$x_{R_i}={\mathrm{\β}}_i{y}_{R_i}$

其中，

σ²为第i个中继节点的噪声功率；

所述选定用于发送干扰信息的第j个中继节点发送干扰信息，目的节点的接收信息y_D为：

$y_D=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}D}{x}_{R_i}+n_D,$ 其中n_D为目的节点的噪声值；

其中窃听节点的接收信息y_E为：

$y_E=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}E}{x}_{R_i}+\sqrt{P_R}{h}_{R_{j}E}{x}_{R_j}+n_E,$

其中，第i个中继节点转发给目的节点和窃听节点的信息为

第j个中继节点发送给目的节点和窃听节点的干扰信息为

为第i个中继节点与目的节点之间的信道，

为第i个中继节点与窃听节点之间的信道，P_R为所述源节点所属服务区内的各个中继节点的发射功率。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括：确定所述源节点所属服务区内的各个中继节点的步骤，该步骤是通过信令传输，源节点确定其服务区内的各个中继节点。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

进一步包括：所述中继节点中未被选中的中继节点继续保持待命状态，该中继节点定期更新所述信道状态信息，以进行下一次中继选择。

6.一种中继转发的控制装置，其特征在于，包括：

获取信息单元，用于获取源节点所属服务区内的各个中继节点和源节点之间的信道状态信息、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道状态信息；

计算单元，用于根据获取的所述信道状态信息，计算进行中继选择所需要的信道信息；及

中继节点选择单元，用于根据计算得到的所述信道信息，从所述各中继节点中选择所述信道信息中反馈的数值最大的一组中继节点来转发信息，选择次大的一组中继节点发送干扰信息。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述获取信息单元是通过测量所述各个中继节点和源节点，以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数，获取所述信道状态信息；

所述计算单元是通过计算所述各个中继节点和源节点、以及该各个中继节点和目的节点之间的信道系数的绝对值，再比较得到二者中的较小值，来计算进行中继选择所需要的信道信息。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

还包括中继节点确定单元，用于确定源节点所属服务区内的各个中继节点。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述中继节点选择单元，还用于将选中的中继节点通过非再生中继方式，协同源节点向目的节点进行信息传输。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述中继节点选择单元选定用于转发信息的第i个中继节点的接收信息y_Ri为：

$y_{R_i}=\sqrt{P_S}{h}_{{\mathrm{SR}}_i}{x}_S+n_{R_i},$

其中，源节点需要发送给目的节点的信息为x_S，选择第i个中继节点转发信息，

为源节点与第i个中继节点之间的信道，P_S为源节点的发射功率，n_Ri为第i个中继节点的噪声值；

若第i个中继节点的转发系数为β_i，则第i个中继节点的转发信息x_Ri为：

$x_{R_i}={\mathrm{\β}}_i{y}_{R_i}$

其中，

σ²为第i个中继节点的噪声功率；

所述中继节点选择单元选定用于发送干扰信息的第j个中继节点发送干扰信息，目的节点的接收信息y_D为：

$y_D=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}D}{x}_{R_i}+n_D,$ 其中n_D为目的节点的噪声值；

其中，窃听节点的接收信息y_E为：

$y_E=\sqrt{P_R}{h}_{R_{i}E}{x}_{R_i}+\sqrt{P_R}{h}_{R_{j}E}{x}_{R_j}+n_E,$

其中，第i个中继节点转发给目的节点和窃听节点的信息为

第j个中继节点发送给目的节点和窃听节点的干扰信息为

为第i个中继节点与目的节点之间的信道，为第i个中继节点与窃听节点之间的信道，P_R为所述源节点所属服务区内的各个中继节点的发射功率。

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