CN104320826A - 一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，建立无线协作通信网络，该无线协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个备选中继节点R₁,R₂,…,R_M，以及一个窃听用户E；传输过程采用解码转发协议进行信息传输，整个传输过程分为两个阶段：第一阶段，源节点S向备选中继节点广播信息；第二阶段，进行最佳中继选择和功率分配，被选择的“最佳”中继节点向目的节点D转发信息。本发明窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，中继选择和功率分配方法简单，易于实现；本发明方法综合考虑了合法用户以及窃听用户的信道状态信息，能够获得较好的安全中断概率性能，具有较高的实用价值。

Description

一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种机会中继选择方法，具体涉及一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法。

背景技术

随着无线通信技术在各个领域的广泛应用，无线传输的安全性与私密性日益受到重视。而无线传输的广播特性决定了其数据交换极易遭受非法用户的窃听和攻击等。因此，如何确保数据传输的安全性与私密性成为无线通信领域非常重要的研究课题。也就是说，在数据传输的过程中我们既要保证合法用户能够正确地接收信息，又要保证窃听用户对传输信息无法正确解码。

传统无线通信是通过高层的加密机制来确保信息安全交换的。然而秘钥的产生和交互无疑会给系统带来计算复杂度的增加和额外的信令开销，而且对于某些节点较为简单的无线通信网络，如无线Ad Hoc网络、无线传感器网络等，由于节点能量和计算复杂度的限制等，传统的高层加密机制难于实现。

物理层安全技术通过利用无线信道的唯一性、保密性和互易性等特征来保证数据的安全传输，近年来受到广泛关注，被视为增强无线通信安全性的未来技术。物理层安全技术的研究指出，当合法用户的信道条件优于窃听用户的信道时，无需使用秘钥也可能保证数据传输的安全性。然而，安全传输速率受信道条件的影响极大，当合法用户的信道条件与窃听用户的信道条件相仿时，安全传输速率可能很低，甚至为0。

为了在各种信道条件下都能保证信息传输的安全性，可以采用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术或协作通信技术等增强合法用户的信息传输。对于存在多个中继节点的协作网络而言，选择合适的中继节点进行信息传输至关重要。传统协作通信网络的中继选择方法仅依据合法用户的信道条件选择最佳中继进行信息转发，该类方法在存在窃听用户的环境中往往无法保证信息传输的安全性与私密性。

因此，在存在窃听用户的网络环境中，有必要设计一种实用的机会中继选择方法，综合考虑合法用户和窃听用户的信道条件，及其对最佳中继节点选择造成的影响，以期获得比现有方法更优的安全性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，该方法综合考虑合法用户和窃听用户的信道状态信息，中继选择和功率分配方法简单，易于实现。

本发明所采用的技术方案是，一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，建立无线协作通信网络，该无线协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个备选中继节点R₁,R₂,…,R_M，以及一个窃听用户E；传输过程采用解码转发协议进行信息传输，整个传输过程分为两个阶段：第一阶段，源节点S向备选中继节点广播信息；第二阶段，进行最佳中继选择和功率分配，被选择的“最佳”中继节点向目的节点D转发信息。

本发明的特点还在于，

第二阶段包括最佳中继选择和功率分配的过程，具体包括如下两个步骤：

第一步：最佳中继的选择

假设中继R_i(i＝1,2,…,M)到目的节点和窃听用户的信道衰落系数分别为h_id和h_ie，则所选择的最佳中继为

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max ({\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2)---\left(1\right)$

第二步：源与最佳中继节点间的功率分配

设系统总发射功率P_t一定，令功率分配因子为ζ，ζ∈(0,1)，则功率分配因子由下式计算：

$\mathrm{\ζ}=\frac{{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}{{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}---\left(2\right)$

其中h_si表示源节点到中继R_i的信道衰落系数，因此源节点的发射功率表示为：

P_s＝ζP_t    (3)

中继节点的发射功率表示为

P_r＝(1-ζ)P_t    (4)

本发明的有益效果是，本发明窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，中继选择和功率分配方法简单，易于实现；本发明方法综合考虑了合法用户以及窃听用户的信道状态信息，能够获得较好的安全中断概率性能，具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本发明中存在窃听用户的协作通信网络模型图；

图2是本发明与其他中继选择方法安全中断概率的仿真比较图；

图3是不同备选中继个数的安全中断概率的仿真图；

图4是不同中继个数各中继选择方法的安全中断概率仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，首先，建立如图1所示的存在窃听用户的无线协作通信网络，该无线协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个备选中继节点R₁,R₂,…,R_M，以及一个窃听用户E；所有节点都仅有单根天线，传输过程采用解码转发协议进行信息传输；由于障碍物等因素的影响，源节点S与目的节点D以及窃听用户E之间均不存在直接通信链路，信息传输必须依靠中继节点的帮助；由于节点采用半双工通信方式，中继节点无法同时接收和发射信息，因此整个传输过程分为两个阶段：第一阶段，源节点S向备选中继节点广播信息，在此阶段窃听用户E无法获取该信息；第二阶段，进行最佳中继选择和功率分配，被选择的“最佳”中继节点向目的节点D转发信息，在此阶段窃听用户E也可以接收到该信息。

假设在两个阶段的传输过程中，所有合法和窃听用户E的各条传输链路均互相独立，且服从平坦瑞利衰落；将源节点S到中继节点R_i，(i＝1,2,…,M)，及中继节点R_i到目的节点D的信道衰落系数分别用h_si和h_id表示，将中继节点R_i到窃听用户E的信道衰落系数用h_ie表示，则 其中表示h服从均值为μ方差为σ²的循环对称复高斯分布；所有链路的接收端噪声为独立的零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N₀。

在传输的第一阶段，源节点广播信息，中继节点R_i接收到信号y_i为：

$y_i=\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{si}}x+n_{\mathrm{si}}---\left(5\right)$

其中x是功率归一化的源节点S的发射信号，P_s表示源节点S的发射功率，n_si表示中继R_i的接收噪声，因此该跳可达到的信息传输速率R_si为：

$R_{\mathrm{si}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+P_S{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2/N_0)---\left(6\right)$

由于源节点S到窃听用户E之间不存在直传链路，因此该阶段窃听用户E无法获知任何信息，本阶段的信息传输是安全的。

第二阶段，当中继节点R_i进行转发时，该跳的传输速率R_id为：

$R_{\mathrm{id}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+P_r{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/N_0)---\left(7\right)$

因此对解码转发协议来说，目的节点D最终所能获得的信息传输速率R_d为

R_d＝min(R_si,R_id)    (8)

在第二阶段中继的广播过程中，不仅目的节点D接收到了该信息，窃听用户E也能截取该次传输，其所能获得的传输速率R_e为

$R_e=\frac{1}{2}{\log }_2(1+P_r{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2/N_0)---\left(9\right)$

根据安全传输速率的定义，系统的安全传输速率R_s为

$\begin{array}{c}{R}_s={[R_d-R_e]}^{+}\\ =\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{1+\min (P_S{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2/N_0,P_r{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/N_0)}{1+P_r{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2/N_0}\right)\end{array}---\left(10\right)$

其中[x]⁺＝max(x,0)，此时的系统安全中断概率P_out可表达为

P_out＝Pr{R_s<R}    (11)

其中R为系统要求的传输速率。

其中，传输过程的第二阶段包括最佳中继选择和功率分配的过程，该过程分为两个步骤。

第一步：最佳中继选择

将最佳功率分配因子ζ＝|h_id|²/(|h_si|²+|h_id|²)(该功率分配因子的获得将在“第二步：源与最佳中继节点间的功率分配”中详细阐述)代入式(10)，得到系统安全传输速率R_s为：

$R_s={\left[\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{1+\mathrm{\&rho;}{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/({\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2)}{1+\mathrm{\&rho;}{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2/({\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2)}\right)\right]}^{+}---\left(12\right)$

在大信噪比条件下，上式可近似表达为

$R_s\&ap;{\left[\frac{1}{2}{\log }_2({\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2)\right]}^{+}---\left(13\right)$

由此可得最佳中继i^*为

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max ({\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2)---\left(14\right)$

分析该选择方法下系统所能获得的中断概率性能发现，当选择中继节点R_i进行转发时，将式(13)代入式(11)可得系统的安全中断概率P_out为：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}\&ap;\mathrm{Pr}\{\frac{1}{2}{\log }_2({\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2)<R\}\\ =\mathrm{Pr}\{{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2<2^{2R}\}\end{array}---\left(15\right)$

令Z_i＝|h_id|²/|h_ie|²＝X/Y，则Z_i的分布函数为：

$\begin{array}{c}{F}_{Z_i}\left(z\right)=\mathrm{Pr}\{Z_i<z\}\\ =\mathrm{Pr}\{x<\mathrm{zy}\}\\ ={\&Integral;}_0^{\&infin;}{f}_Y\left(y\right)F_X\left(\mathrm{zy}\right)\mathrm{dy}\end{array}---\left(16\right)$

由于|h_id|²，|h_ie|²均服从指数分布，且参数为1/σ²的指数分布的分布函数和概率密度函数分别为：

$F_{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left(x\right)=1-e^{-x/{\mathrm{\&sigma;}}^2},x>0---\left(17\right)$

$f_{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{e}^{-x/{\mathrm{\&sigma;}}^2},x>0---\left(18\right)$

将式(17)、(18)代入(16)得：

$\begin{array}{c}{F}_{Z_i}\left(z\right)={\&Integral;}_0^{\&infin;}\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}{e}^{-y/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}(1-e^{-\mathrm{zy}/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{id}}^2})\mathrm{dy}\\ =1-\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{e}^{-(\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}+\frac{z}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{id}}^2})y}\mathrm{dy}\\ =\frac{z{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{id}}^2+z{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ie}}^2}\end{array}---\left(19\right)$

令选择不同的中继节点R_i，(i＝1,2,…,M)时，其分布函数分别为Z_i，(i＝1,2,…,M)，则它们是互相独立的随机变量。由式(14)得，所选择的最佳中继是Z_i中最大的那一个，即

Z＝max Z_i    (20)

因此最佳中继的分布函数为：

$F_Z\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Pi;}}}{F}_{Z_i}\left(z\right)---\left(21\right)$

由式(15)得，系统最终的安全中断概率P_out为：

P_out＝F_Z(2^2R)    (22)

第二步：源与最佳中继节点间的功率分配

设系统总发射功率P_t一定，令功率分配因子为ζ，ζ∈(0,1)，则源节点S的发射功率可表示为P_s＝ζP_t，中继节点的发射功率表示为P_r＝(1-ζ)P_t。令ρ＝P_t/N₀，则当P_S|h_si|²<P_r|h_id|²时，由式(10)可得安全传输速率R_s为：

$R_s={\left[\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{1+\mathrm{\&zeta;\&rho;}{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2}{1+(1-\mathrm{\&zeta;})\mathrm{\&rho;}{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2}\right)\right]}^{+}---\left(23\right)$

在大信噪比条件下，上式可近似表达为：

$R_s\&ap;{\left[\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{\mathrm{\&zeta;}{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2}{(1-\mathrm{\&zeta;}){\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2}\right)\right]}^{+}---\left(24\right)$

观察式(24)可发现，为了提高系统的安全传输速率，应进一步提高源节点S的发送功率，即增加ζ，直到P_S|h_si|²＝P_r|h_id|²。

当P_S|h_si|²>P_r|h_id|²时，由式(10)得此时的安全传输速率R_s为：

$R_s={\left[\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{1+(1-\mathrm{\&zeta;})\mathrm{\&rho;}{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}{1+(1-\mathrm{\&zeta;})\mathrm{\&rho;}{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2}\right)\right]}^{+}---\left(25\right)$

观察式(25)易得，当|h_id|²>|h_ie|²时，增加中继节点的发送功率，即降低ζ，可提高系统的安全传输速率。而当|h_id|²<|h_ie|²时，无论如何调节功率分配因子，目的节点D所能获得的传输速率都将小于窃听用户E的传输速率，此时R_s＝0。

综上所述，最佳功率分配因子应满足P_S|h_si|²＝P_r|h_id|²，由此可以得到最佳的功率分配因子为：

$\mathrm{\&zeta;}=\frac{{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}{{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}---\left(26\right)$

使用蒙特卡罗仿真方法对方法进行10000次以上的独立仿真，结果如图2～4所示。其中图2～图4的测试条件为：(i＝1,2,…,M)。并定义中继节点R_i到目的节点D，中继节点R_i到窃听用户E的平均信道增益之比为仿真中假设系统目标传输速率为R＝1。

为了比较的方便，仿真结果还给出了随机中继选择方法、传统方法、以及现有方法的仿真曲线。其中随机中继选择方法中，中继是随机选择的。传统方法未将窃听用户的信道状态信息纳入考虑，选择仅依赖于合法用户的信道状态信息。源与中继节点的发射总功率Pt在二者之间平均分配功率，此时最佳中继节点为：

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max \left(R_d\right)---\left(27\right)$

由式(8)得：

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max \left(\min ({\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2,{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2)\right)---\left(28\right)$

本发明方法综合考虑了合法和窃听用户的信道状态信息，并由式(10)得到此时的最佳中继节点为

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max \left(\frac{\min ({\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2,{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2)P+2N_0}{{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^{2}P+2N_0}\right)---\left(29\right)$

其中P＝P_t/2，为源及中继节点的发射功率。

图2给出了几种不同的中继选择方法所获得的系统安全中断概率，在仿真中备选中继节点的个数为M＝5。由图2可以看出，本发明给出的安全中断概率计算曲线与实际的仿真结果非常吻合，该结果验证了安全中断概率闭式表达式(22)的正确性。图2中还给出了随机选择中继节点、传统方法、以及现有方法的安全中断概率，可以看出，所有方法所获得的安全中断概率都随着λ_de的增加而降低。传统算法的安全中断概率低于随机选择的结果，但由于它仅考虑了合法用户的信道条件，因此其安全中断概率高于现有方法。本发明方法在进行功率分配的基础上综合考虑合法与窃听用户的信道条件，具有最低的安全中断概率。

图3、图4分别给出了所提方法以及各中继选择方法在备选中继个数不同时的安全中断概率。图3给出了当M＝2,4,6,8时所提方法的安全中断概率。由图3同样可以看出本发明方法所获得的安全中断概率随着λ_de的增加而降低，且随着网络中备选中继节点个数的增加，系统的安全中断概率越来越小。图4给出了λ_de＝5dB时不同中继个数下各中继选择方法的安全中断概率，由该图4可以看出，无论采用哪一种中继选择方法，系统的安全中断概率都会随备选中继节点个数的增加而减小。另外观察图4还可以发现，随中继节点数目的增加，现有方法的安全中断概率的下降速度大于随机中继选择方法和传统方法，而本发明方法的下降速率最快。

综合以上图例和分析可以看出，与传统及现有的中继选择方法相比，本发明中继选择方法可显著降低系统的安全中断概率。

Claims (2)

1.一种窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，其特征在于，建立无线协作通信网络，该无线协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个备选中继节点R₁,R₂,…,R_M，以及一个窃听用户E；传输过程采用解码转发协议进行信息传输，整个传输过程分为两个阶段：第一阶段，源节点S向备选中继节点广播信息；第二阶段，进行最佳中继选择和功率分配，被选择的“最佳”中继节点向目的节点D转发信息。

2.根据权利要求1所述的窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法，其特征在于，第二阶段包括最佳中继选择和功率分配的过程，具体包括如下两个步骤：

第一步：最佳中继的选择

假设中继R_i(i＝1,2,…,M)到目的节点和窃听用户的信道衰落系数分别为h_id和h_ie，则所选择的最佳中继为：

$i^{*}=\underset{i}{\arg }\max ({\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2/{\left|h_{\mathrm{ie}}\right|}^2)---\left(1\right)$

第二步：源与最佳中继节点间的功率分配

设系统总发射功率P_t一定，令功率分配因子为ζ，ζ∈(0,1)，则功率分配因子可由下式计算：

$\mathrm{\&zeta;}=\frac{{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}{{\left|h_{\mathrm{si}}\right|}^2+{\left|h_{\mathrm{id}}\right|}^2}---\left(2\right)$

其中h_si表示源节点到中继R_i的信道衰落系数，源节点的发射功率可表示为：

P_s＝ζP_t    (3)

中继节点的发射功率可表示为：

P_r＝(1-ζ)P_t    (4)。