CN104093143B - 一种物理层安全通信中的自适应协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于物理层安全的自适应协作技术。本发明通过对协作干扰中继的转发策略进行自适应的合理选择，使信源与接收终端之间的安全传输速率最大化。本发明包括如下步骤：使用二进制的编码方式，将协作中继的转发方式进行编码；在集合中随机产生N_set个范围在[0,2^Nre‑1]的非负整数；对集合中的元素进行迭代重组，产生新的集合，直至选出使协作通信系统获得最大安全速率的元素。本发明通过通过对协作中继之间的状态信息进行重新组合，保留可达安全速率高的中继状态，提高了系统的最大安全可达速率。

Description

一种物理层安全通信中的自适应协作方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于物理层安全的自适应协作技术。

背景技术

在过去的几十年，无线通信逐渐成为通信发展的前沿。随着无线通信技术的发展，基于物理层资源的信息安全技术已经成为了无线通信和信息安全领域的研究热点。物理层通信的根据是信息论的观点，其基本思想是利用无线信道的物理层特性来安全传输信息，使得窃听方不能获得有效信息的前提下，合法接收方能够成功接收信源所发出的通信内容。无线通信系统物理层资源的多样性为物理层安全技术的研究提供了广阔空间，也留下了许多亟待解决的问题。无线通信系统的广播特性使其容易受到安全威胁，并且无线通信网络结构的拓扑性与多样性也给安全机制的实施带来了困难。因此，探索如何有效利用无线通信系统的物理层资源使无线通信系统安全性得到提高，具有深远的理论意义和实际应用价值。

关于物理层安全最早的工作始于Wyner，他最早提出了窃听信道模型，并提出在不利用安全密钥的前提下建立确保安全的通信连接的方法。Wyner证明了在窃听信道差于合法信道时，信源与接收方可以以一个非零的通信速率进行安全通信，即此时窃听方完全无法获取正在通信的内容。信息从信源到接收方安全传输的速率叫做可达保密速率(Achievable Secrecy Rate)，最大的可达保密速率被称为保密容量(Secrecy Capacity)。

传统的物理层安全通信的研究在单天线系统中因信道条件受到了阻碍。因为传统的物理层安全通信缺少反馈，或者在合法信道差于窃听信道的情况下，保密速率通常为0。通过利用多天线的优势，近年来一些工作突破了这些限制，比如多输入多输出(MIMO)，单输入多输出(SIMO)和多输入单输出(MISO)系统。然而由于开销和规模的原因，多天线技术的实用性收到很大限制。科研人员经研究发现节点之间的协作技术使单天线的模型能够像多天线模型一样的好处，而且实用性更好，所以将协作通信技术与物理层安全通信技术结合起来具有更广阔的前景。

协作通信系统中的中继节点通过三种转发方式来提高可达保密速率，即译码转发，放大转发和噪声转发。在译码转发和放大转发时，在通信过程中的第一跳，信源广播发送已编码的信息到可信中继节点。第二跳，译码转发时，每个中继首先对信息进行解码，然后重新编码并将重编码的信息乘上一个权值进行转发；放大转发时，中继将从信源收到的信息乘上适当的权值并进行转发。对于噪声转发，在信源发送已编码信息的同时，中继发送干扰信号来干扰窃听节点。噪声转发的设计与系统中的中继的数量有关，在经典四节点中继窃听模型中，由于只有一个中继，其进行噪声转发时产生的人工噪声是没有方向性的广播噪声，会对合法用户和窃听方同时造成干扰，此时噪声转发的设计就只与中继与合法用户位置有关。而在使用噪声转发并有多个中继的系统中，中继之间通过相互协作可以最大化降低噪声对合法用户的干扰，这种多中继的噪声转发策略又称协作干扰(CJ,Cooperative Jamming)。在协作干扰方法中，发送方广播秘密信号的同时，为了干扰窃听方的窃听，中继通过协作对所要发送的干扰信号进行预加权发送。如果在已知窃听方信道状态信息时，则中继联合设计进行干扰信号波束成型，朝向窃听方发送，以此最大化抑制窃听方的窃听。

放大转发可以提高合法端链路信道质量，从而增强了系统的安全性；而发送人工噪声，即噪声转发，则通过恶化窃听端信道质量，增强系统的安全性。两种传输策略通过互补的方式，可以同时提高了安全性。因此将放大转发和协作干扰技术结合起来，可以进一步提高系统的安全性能。

在基于协作干扰的多中继系且中继节点仅可用作转发节点或者人工噪声发送节点的系统的物理层安全通信中，如何安排每一个中继的转发策略，使系统获得更高的保密容量，是基于多节点协作的物理层安全通信系统中的关键技术。

发明内容

本发明的目的是为了提供基于协作干扰的物理层安全通信中的安全性能，通过对协作干扰中继的转发策略进行自适应的合理选择，使信源与接收终端之间的安全传输速率最大化。

为了实现本发明的目的，提供了一种用于物理层安全的选择中继节点转发策略的方法，具体步骤如下：

S1、使用二进制的编码方式，对协作中继的转发方式进行编码，设所有放大转发的协作中继为1，所有噪声转发的协作中继为0；

S2、随机产生N_set个范围在[0,2^Nre-1]的正整数构成初始状态元素集合U(0)，初始状态元素集合U(0)中的元素符合均匀分布，所有元素的二进制展开长度为协作中继的个数Nre，二进制串的每一位代表协作中继当前采用的转发方式；

S3、将S2所述集合U(0)中的元素进行变换，产生新的元素，加入集合U(1)，所述集合U(1)为第一次迭代产生的集合，具体为：

S31、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素加入集合U(1)；

S32、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之二元素各自两两配对，进行重组，重组的方式为将元素对应的二进制串均匀交叉，重组后得到的元素加入集合U(1)；

S33、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素中的每一个元素对应的二进制串的任意一位取反，得到的元素加入集合U(1)；

S4、重复S3进行多次变换，直至第T次变换，然后从集合U(T)中选择出使协作通信系统获得最大安全速率的元素，此元素所对应的协作中继的转发方式即为当前环境下协作中继最合理的转发方式。

本发明的有益效果是：

协作通信系统中，因为多种因素的影响，难以通过一种因素来判断某个中继适宜于放大转发或者是发送人工噪声，本发明通过通过对协作中继之间的状态信息进行重新组合，保留可达安全速率高的中继状态。若当前的某个中继适宜于放大转发所接收的信号，那么对应的二进制状态为1的元素更有可能被迭代到下一集合，反之亦然。通过本发明方法，使每一个中继节点选择适当的转发方式，从而提高了系统的最大安全可达速率。

附图说明

图1为本发明算法示意图。

图2为二进制交叉组合示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

S1、使用二进制的编码方式，将协作中继的转发方式进行编码，设所有放大转发的协作中继为1，所有噪声转发的协作中继为0，如图1所示中继节点的一种状态，此时协作中继的状态为10，即S＝1010，第一个中继和第三个中继转发方式为放大转发，第二个中继和第四个中继转发方式为噪声转发；

S2、在集合U(0)中随机产生N_set个范围在[0,2^Nre-1]的非负整数，所述集合U(0)中的元素符合均匀分布，所述集合U(0)中的元素二进制展开的长度为协作中继的个数Nre，二进制串的每一位代表协作中继当前采用的转发方式，其中，集合U(0)为初始状态的元素的集合；

S3、将S2所述集合U(0)中的元素进行变换，产生新的元素，加入集合U(1)，所述集合U(1)为第一次迭代产生的集合，具体为：

步骤S3对每代集合中元素进行变换的具体过程如下：

S31、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素加入集合U(1)。

S32、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之二元素各自两两配对，进行重组，重组的方式为将元素对应的二进制串均匀交叉，重组后得到的元素加入集合U(1)。假设配对的两个元素对应的二进制状态为S₁和S₂，令S₃＝000...111,S₄＝111...000(0和1的个数分别是二进制串位数，即中继个数的一半)，交叉组合生成的状态S_new＝(S₁&S₃)&(S₂&S₄)将被加入下一代集合。图2描述了交叉变换的实际过程，表示状态I和状态II分别将自身二进制串拆分为两部分进行重新组合；

S33、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素中的每一个元素对应的二进制串的任意一位取反，得到的元素加入集合U(1)。

S4、重复S3进行多次迭代，直至迭代到T次，即从集合U(T)中选择出使协作通信系统获得最大安全速率的元素，此元素所对应的协作中继的转发方式即为当前环境下协作中继最合理的转发方式，其中，每次迭代的基础为上一次迭代产生的新集合。

为了便于对实施例的理解，对协作中继个数为6的情况进行仿真。此时系统还包括一对信源与合法用户，以及一个窃听方。

协作中继的总功率为20dB，每代集合元素的个数为8，迭代次数为8次，初代集合中的元素为{23,48,40,49,59,62,12,8}，对应的二进制编码串为{010111,110000,101000,110001…

001100,000100}，其中二进制编码串为1的表示该中继转发方式为放大转发，二进制编码串为0的表示该中继转发方式为噪声转发。初代集合中每个协作中继的状态对应的可达最大保密速率分别为{4.4897,4.5076,4.7647…4.1147,2.9462}(单位：bit/s/Hz)。

通过对初代集合中的元素进行变换，得到通过选择变换选取的新元素为{62,59,49}，这一部分元素是上一代集合中对应可达保密速率较大的状态，各个中继的转发方式比其它的状态具有更大的合理性。

通过对初代集合中的元素进行交叉变换，得到下一代集合选取的新元素为{62,41,16}，62由62与59均匀交叉所得，41由49与40交叉所得，16由48与23交叉所得。通过对上一代可达保密速率较大的状态进行重新组合，获取新的协作中继各元素对应状态，倘若该状态比用于组合的元素能获得更高的可达保密速率，则可以迭代进入下一代集合，倘若该状态对应的结果并不理想，在迭代的过程中也会很快被淘汰。

通过对初代集合中的元素进行取反变换，得到下一代集合选取的新元素为{57,41}，57由48的第四位取反所得，41由40的第6位取反所得。此变换有利于为迭代过程产生新元素，减小迭代陷入局部最优的可能性。

最后，通过迭代过程得到的最优解是62，最大可达安全速率为5.6865bit/s/Hz，即第6个中继发送干扰噪声，其他的中继转发信源发出的信号。

所以，通过此自适应算法使协作中继系统中的每一个节点选择了适宜于当前环境的转发方式，提高了最大可达安全速率，增强了系统安全性能。

在物理层安全通信中，在中继数目较少，中继功率较低的时候，协作中继倾向于转发信源发出的信号，在中继数目较多的时候，协作中继倾向于发送人工噪声以干扰窃听方的接收，通过自适应算法所得出的结论与实际情况是一致的。在协作中继数目较多的场景，每个中继的转发方式难以直接确定的时候，本发明更加具有实用性。

本发明在较低复杂度的情况下，提供了一种可有效提高系统安全速率的自适应协作技术。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种物理层安全通信中的自适应协作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用二进制的编码方式，对协作中继的转发方式进行编码，设所有放大转发的协作中继为1，所有噪声转发的协作中继为0；

S2、随机产生N_set个范围在[0,2^Nre-1]的正整数构成初始状态元素集合U(0)，初始状态元素集合U(0)中的元素符合均匀分布，所有元素的二进制展开长度为协作中继的个数Nre，二进制串的每一位代表协作中继当前采用的转发方式；

S3、将S2所述集合U(0)中的元素进行变换，产生新的元素，加入集合U(1)，所述集合U(1)为第一次迭代产生的集合，具体为：

S31、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素加入集合U(1)；

S32、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之二元素各自两两配对，进行重组，重组的方式为将元素对应的二进制串均匀交叉，重组后得到的元素加入集合U(1)；

S33、将S2所述集合U(0)中元素的安全速率进行降序排列，选取安全速率最高的三分之一元素中的每一个元素对应的二进制串的任意一位取反，得到的元素加入集合U(1)；

S4、重复S3进行多次变换，直至第T次变换，然后从集合U(T)中选择出使协作通信系统获得最大安全速率的元素，此元素所对应的协作中继的转发方式即为当前环境下协作中继最合理的转发方式。