CN105142199A

CN105142199A - 一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法

Info

Publication number: CN105142199A
Application number: CN201510437447.XA
Authority: CN
Inventors: 杨睛; 陈蕾; 鲍实; 胡学龙; 颜彪
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: CN105142199B

Abstract

本发明涉及一种基于门限和最大化安全容量准则的中继传输方法。本发明信源节点S传输信号给中继节点，转发到目的节点D，选出通过主链路(S→R_k→D)传输信号，目的节点D的接收信噪比大于某一固定信噪比门限值所对应的中继节点集合，窃听者E也能接收到中继节点放大转发出的信号，在候选的中继节点集合中，得到相应的窃听者E的接收信噪比，利用目的节点D和窃听者E的接收信噪比，求得整个通信系统的安全容量，从候选中继节点集合中选出安全容量最大的那个中继。本发明克服了以往二种方法的各自缺陷。本发明保证主链路通信的可靠性及整个通信系统的安全性，发挥出多中继系统的最佳性能，其信道安全性和可靠性都能兼顾。

Description

一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法

技术领域

本发明涉及一种存在窃听者的协作中继系统，属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法。

背景技术

近些年来，随着全球移动无线通信技术发展飞速，人们对于无线通信传输性能指标的要求会越来越高。然而由于无线信号的多径传输所引起的衰落、移动台的快速移动所引起的多普勒频移以及多个用户同时进行通信所引起的多用户之间的干扰，限制了未来宽带无线通信系统传输速率和可靠性的有效提高。协作中继技术的出现在一定程度上改善无线通信系统的传输性能，它具有扩展无线覆盖区域、实现分集增益提升系统抗干扰性能等优势。协作中继技术利用无线通信的广播特性，多个用户之间相互协作或者使用专用的中继台，构成一个虚拟的分布式天线阵列，获得多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)特性。根据协作通信协议，即中继节点对接收信号的处理方式，可以分为放大前传(amplifyandforward，AF)和译码前传(decodeandforward，DF)等。为了进一步改善系统的传输性能，联合多个中继节点传输的中继信道能够显著提高协作中继系统的性能，比如中断概率、误码率等。但是，多中继协作系统复杂度高，同时，信源和所有的中继节点必须在正交信道上传输，这又消耗了系统的资源，降低了系统的频谱效率。中继选择通过选出当前传输性能好的中继或中继组合参与传输，能降低多中继系统的复杂度和能耗。

在本发明作出之前，目前应用于多中继系统的中继选择方法并不多，主要有以下两种选择方法，都存在着各自的缺陷。

第一种是基于max-min选择准则的中继选择方法，即在通过第一跳链路(S→R_k)的瞬时信噪比Y_1k与通过第二跳链路(R_k→D)的瞬时信噪比Y_2k之间选出数值更小的瞬时信噪比；然后，再比较各个中继节点选出的瞬时信噪比，找出数值最大的瞬时信噪比，该瞬时信噪比所对应的中继即为选择出的中继。max-min方法能动态保证较差一跳链路的通信质量，并进而提高传输速率；但是并没有开发利用系统最佳的通信路径，其信道传输的可靠性仍然有待提高；同时，由于存在窃听链路，这一方案也没有考虑通信的安全性，传输信号随时都有可能被窃听者截获，因此，其信道传输的安全性需要同时被考虑。

第二种是基于max选择准则的中继选择方法。即在所有中继中选出一个使得通过主链路(S→R_k→D)的传输，目的节点D的接收信噪比最大的中继节点。这种中继选择方法虽然能够保证通信可靠性达到最佳。然而，使得目的节点D的接收信噪比最大的中继节点，同样也可能使得窃听者的接收信噪比最大，从而使得传输信号被窃听者E截获。该方法同样没有保证通信的安全传输。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法。

本发明的技术方案是：

一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法，其步骤依次是：

A、由一个信源节点(S)、多个中继节点(R_k)以及一个目的节点(D)构成两跳协作中继网络，中继节点数为K个，另外，还存在一个窃听者(E)来截获中继网络通信的信号，且所有的节点都配备有一根天线。

B、在通信的第一个时隙，信源节点(S)向所有的中继节点(R_k)发送有用信号x，此时，任意一个中继节点(R_k)的接收信号为y_SRk；

C、在通信的第二个时隙，所有中继节点将来自信源节点(S)的接收信号y_SRk放大之后再转发给目的节点(D)，其接收信号为y_RkD；同时，窃听者(E)也可以从中继节点(R_k)截获到信号，其接收信号为y_RkE；然后，根据目的节点(D)从每个中继节点处接收到的信号分别计算出各自的接收信噪比(Y_skd)，通过比较接收信噪比(Y_skd)与门限Y_th之间的大小，选择比门限Y_th大的接收信噪比(Y_skd)，从而从K个中继节点中选出满足条件的中继节点集合S_N，其中，N是满足条件的中继节点个数且N≤K；

D、如果满足条件的中继节点个数N为0，则说明满足条件的中继节点集合为空集，此时，重复C步的操作，直至选出的中继节点个数N≥1，这样可以在一定程度上保证主链路(S→R_k→D)通信的可靠性；

E、窃听者(E)在候选的中继节点中，计算出通过S→R_k→E这一链路窃听者(E)接收到的信噪比(Y_ske)以及对应选出候选中继节点的主链路的接收信噪比(Y_skd)，其中k∈S_N；进而根据这两条链路的接收信噪比来计算出整个通信系统的安全容量C_S＝log₂[(1+Y_skd)/(1+Y_ske)]，通过比较不同候选中继节点对应的安全容量(C_S)之间的大小，最终选择出一个使得安全容量(C_S)最大的最佳中继节点，这样可以保证系统通信的安全性。

本发明的优点和效果在于：

本发明应用了基于门限和最大化安全容量准则来实施中继选择，信源节点S传输信号给中继节点，中继节点将接收到的信号放大后转发到目的节点D，选出通过主链路(S→R_k→D)传输信号，目的节点D的接收信噪比大于某一固定信噪比门限值所对应的中继节点集合，这样可以保证主链路通信质量的可靠性。同时，窃听者E也能接收到中继节点放大转发出的信号，此时在候选的中继节点集合中，可以得到相应的窃听者E的接收信噪比。最后，利用目的节点D和窃听者E的接收信噪比，可以求得整个通信系统的安全容量，再从候选中继节点集合中选出安全容量最大的那个中继，即可保证整个通信系统的安全性。整个中继选择的过程，首先在保证主链路通信的一定可靠性的前提下，保证整个通信系统的安全性，因为通信系统可靠性和安全性都是衡量通信质量的重要指标，从而能够发挥出多中继系统的最佳性能，其信道安全性和可靠性都能兼顾。

上述的B步中，在通信的第一时隙，信源节点(S)向所有的中继节点(R_k)发送有用信号x，则任意一个中继节点(R_k)的接收信号为其中为中继(R_k)处的噪声，h_1k为第一跳链路(S→R_k)的信道增益；

上述的C步中，中继节点将来自信源节点(S)的接收信号y_SRk放大的具体做法是，根据y_SRk的表达式，可以计算出中继节点的放大倍数G为或者其中P_S，分别为信源节点(S)和中继节点(R_k)的发射功率，N₀为噪声的功率，E(·)为求均值操作；然后中继节点(R_k)将其接收信号y_SRk乘以放大倍数G，完成放大处理之后发送给目的节点(D)，则目的节点的接收信号为其中n_D为目的节点D处的噪声，其噪声功率也为N₀，h_2k为第二跳链路(R_k→D)的信道增益；此时，根据y_RkD的表达式，当放大增益为固定值时，即可以计算出目的节点的接收信噪比其中，

γ_{sk} = \frac{P_{S} {| h_{1 k} |}^{2}}{N_{0}}, γ_{kd} = \frac{P_{R_{k}} {| h_{2 k} |}^{2}}{N_{0}}, C_{1} = \frac{P_{S} E ({| h_{1 k} |}^{2})}{N_{0}} + 1;

当放大增益为可变时，即可以计算出目的节点的接收信噪比在中继节点(R_k)将接收到的信号y_SRk完成放大处理之后发送到目的节点(D)的同时，窃听者(E)也可以接收到这一信号，则窃听者(E)接收到的信号为其中n_E为目的节点E处的噪声，其噪声功率也为N₁，h_3k为窃听链路(R_k→E)的信道增益；

上述的E步中，在候选的中继节点中，计算通过S→R_k→E这一链路窃听者(E)接收到的信噪比(Y_ske)的具体做法是，根据窃听者(E)接收到的信号y_RkE的表达式，当放大增益为固定值时，即可以计算出窃听者(E)的接收信噪比

γ_{ske} = \frac{γ_{sk} γ_{ke}}{γ_{ke} + C_{1}},

其中

γ_{ke} = \frac{P_{R_{k}} {| h_{3 k} |}^{2}}{N_{1}};

当放大增益为可变时，即

G = \sqrt{\frac{P_{R_{k}}}{P_{S} {| h_{1 k} |}^{2} + N_{0}}},

可以计算出目的节点的接收信噪比然后再根据选出的中继节点所对应的目的节点D的接收信噪比(Y_skd)，即可计算出系统的安全容量为最终，再从候选的中继节点集合中选出使得安全容量最大的一个中继节点R_k*。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1——本发明方法的系统模型示意图，其中，通信的第一时隙：信源节点S广播信号，所有的中继节点R_k(k＝1，2，…，K)接收，通信的第二时隙：各个中继节点对接收的信号进行放大处理后再广播出去，目的节点D接收和窃听者E接收。

图2——本发明在固定增益AF下，与max-min方法，max方法在不同中继节点个数(K)，不同的信噪比下的安全中断概率(SecurityOutageprobability)比较曲线。图中的横坐标为信道的平均信噪比值(单位为dB)，纵坐标为安全中断概率(SecurityOutageprobability)。图中的实线“-”为K＝2点划线为K＝4的情况，虚线“-----”为K＝6，标注符号“○”为max-min方法，标注符号“*”为max方法，标注符号“△”为本发明。

图3——本发明在变增益AF下，与max-min方法，max方法在不同中继节点个数(K)，不同的信噪比下的安全中断概率(SecurityOutageprobability)比较曲线。图中的横坐标为信道的平均信噪比值(单位为dB)，纵坐标为安全中断概率(SecurityOutageprobability)。图中的实线“-”为K＝2点划线为K＝4的情况，虚线“-----”为K＝6，标注符号“○”为max-min方法，标注符号“*”为max方法，标注符号“△”为本发明。

具体实施方式

实施例1：

如图1示出，本发明的第一种具体实施方式是，一种基于门限和最大化安全容量准则的中继传输方法，其步骤依次是：

具体地，在通信的第一时隙，信源节点(S)向所有的中继节点(R_k)发送有用信号x，则任意一个中继节点(R_k)的接收信号为其中为中继(R_k)处的噪声，h_1k为第一跳链路(S→R_k)的信道增益；

其中，中继节点将来自信源节点(S)的接收信号y_SRk放大的具体做法是，根据y_SRk的表达式，可以计算出中继节点的放大倍数G为其中P_S，分别为信源节点(S)和中继节点(R_k)的发射功率，N₀为噪声的功率，E(·)为求均值操作；然后中继节点(R_k)将其接收信号y_SRk乘以放大倍数G，完成放大处理之后发送给目的节点(D)，则目的节点的接收信号为其中n_D为目的节点D处的噪声，其噪声功率也为N₀，h_2k为第二跳链路(R_k→D)的信道增益；此时，根据y_RkD的表达式，可以计算出目的节点的接收信噪比

γ_{skd} = \frac{γ_{sk} γ_{kd}}{γ_{kd} + C_{1}},

其中，

γ_{sk} = \frac{P_{S} {| h_{1 k} |}^{2}}{N_{0}}, γ_{kd} = \frac{P_{R_{k}} {| h_{2 k} |}^{2}}{N_{0}}, C_{1} = \frac{P_{S} E ({| h_{1 k} |}^{2})}{N_{0}} + 1 .

在中继节点(R_k)将接收到的信号y_SRk完成放大处理之后发送到目的节点(D)的同时，窃听者(E)也可以接收到这一信号，则窃听者(E)接收到的信号为其中n_E为目的节点E处的噪声，其噪声功率也为N₁，h_3k为窃听链路(R_k→E)的信道增益；

其中，在候选的中继节点中，计算通过S→R_k→E这一链路窃听者(E)接收到的信噪比(Y_ske)的具体做法是，根据窃听者(E)接收到的信号y_RkE的表达式，当放大增益为固定值时，即可以计算出窃听者(E)的接收信噪比其中然后再根据选出的中继节点所对应的目的节点D的接收信噪比(Y_skd)，即可计算出系统的安全容量为最终，再从候选的中继节点集合中选出使得安全容量最大的一个中继节点R_k*。

本例的方法适用于固定增益(放大倍数固定)的多中继网络。

实施例2：

本例的方法与实施例1的方法基本相同，不同的仅仅是：

C、E这两步中中继节点的放大倍数都是

本例的方法适用于变增益(放大倍数变化)的多中继网络。

仿真实验

以下是本发明实施例1、2方法的安全中断概率(SecurityOutageProbability)的实验结果。仿真实验的具体条件为：独立同分布Rayleigh衰落信道，所有路径的信道增益h_1k＝h_2k＝h_3k＝1，发射功率(k＝1，2，…，K)，主链路的平均信噪比SNR₀＝1/N₀，预设信噪比门限值γ_th＝1，安全速率门限值R_S＝1，窃听链路(R_k→E)的平均信噪比SNR₁＝1/N₁为10dB。

图2为本发明实施例1的方法，当中继节点个数K＝2，4，6时，安全中断概率(SecurityOutageProbability)随信道平均信噪比的仿真结果曲线图。图中的实线“-”为K＝2的情况，点划线为K＝4的情况，虚线“-----”为K＝6，标注符号“○”为max-min方法，标注符号“*”为max方法，标注符号“△”为本发明方法。

从图2可以看出：本发明的实施例1的方法，在任意K值，任意信噪比SNR值下，安全中断概率都明显低于max-min方法和max方法，并且K值越大，本发明安全中断概率越低。例如，当K＝4，SNR₀＝16dB，实施例1方法的安全中断概率约为0.07时，而max-min方法的安全中断概率约为0.32，max方法的安全中断概率约为0.33。这表明本发明在固定增益AF环境下的安全中断概率性能明显低于现有方法，而现有方法中max方法的安全中断概率性能略低于max-min方法。

图3为实施例2的方法，当中继节点个数K＝2，4，6时，安全中断概率(SecurityOutageProbability)随信道平均信噪比的仿真结果曲线图。图中的实线“-”为K＝2的情况，点划线“-·-·-”的情况，虚线“-----”为K＝6，标注符号“○”为max-min方法，标注符号“*”为max方法，标注符号“△”为本发明方法。

从图3可以看出：本发明在任意K值下，任意信噪比SNR值下，安全中断概率都明显低于max-min方法和max方法，并且K值越大，本发明安全中断概率越低。例如，当K＝4，SNR₀＝16dB，本例中方法的安全中断概率约为0.09时，而max-min方法的安全中断概率约为0.26，max方法的安全中断概率约为0.25。这表明本发明在变增益AF环境下的安全中断概率性能明显低于现有方法，而现有方法中max方法的安全中断概率性能略低于max-min方法。

Claims

1.一种基于门限和最大化安全容量的中继选择方法，其特征在于步骤：

C、在通信的第二个时隙，所有中继节点将来自信源节点(S)的接收信号y_SRk放大之后再转发给目的节点(D)，其接收信号为y_RkD；同时，窃听者(E)也可以从中继节点(R_k)截获到信号，其接收信号为y_RkE；然后，根据目的节点(D)从每个中继节点处接收到的信号分别计算出各自的接收信噪比(Y_skd)，通过比较接收信噪比(Y_skd)与门限Y_th之间的大小，选择比门限Y_th大的接收信噪比(Y_skd)所对应的中继节点，构成中继节点集合S_N，其中，N是满足Y_th＞Y_skd条件的中继节点个数(N≤K)；

E、窃听者(E)在候选的中继节点集合S_N中，计算出通过S→R_k→E，R_k∈S_N这一链路窃听者(E)接收到的信噪比(Y_ske)以及对应选出候选中继节点的主链路的接收信噪比(Y_skd)，其中k∈S_N；进而根据这两条链路的接收信噪比来计算出整个通信系统的安全容量C_S＝log₂[(1+Y_skd)/(1+Y_ske)]，通过比较不同候选中继节点对应的安全容量(C_S)之间的大小，最终选择出一个使得安全容量(C_S)最大的最佳中继节点，这样可以保证系统通信的安全性。

2.如权利要求1所述的一种基于门限和安全容量的中继选择方法，其特征在于：

所述的B步中，在通信的第一时隙，信源节点(S)向所有的中继节点(R_k)发送有用信号x，则任意一个中继节点(R_k)的接收信号为其中为中继(R_k)处的噪声，h_1k为第一跳链路(S→R_k)的信道增益；

所述的C步中，中继节点将来自信源节点(S)的接收信号y_SRk放大的具体做法是，根据y_SRk的表达式，可以计算出中继节点的放大倍数G为或者其中P_S，分别为信源节点(S)和中继节点(R_k)的发射功率，N₀为噪声的功率，E(·)为求均值操作；然后中继节点(R_k)将其接收信号y_SRk乘以放大倍数G，完成放大处理之后发送给目的节点(D)，则目的节点的接收信号为其中n_D为目的节点D处的噪声，其噪声功率也为N₀，h_2k为第二跳链路(R_k→D)的信道增益；此时，根据y_RkD的表达式，当放大增益为固定值时，即可以计算出目的节点的接收信噪比其中，当放大增益为可变时，即可以计算出目的节点的接收信噪比在中继节点(R_k)将接收到的信号y_SRk完成放大处理之后发送到目的节点(D)的同时，窃听者(E)也可以接收到这一信号，则窃听者(E)接收到的信号为其中n_E为目的节点E处的噪声，其噪声功率也为N₁，h_3k为窃听链路(R_k→E)的信道增益；

所述的E步中，在候选的中继节点中，计算通过S→R_k→E这一链路窃听者(E)接收到的信噪比(Y_ske)的具体做法是，根据窃听者(E)接收到的信号y_RkE的表达式，当放大增益为固定值时，即可以计算出窃听者(E)的接收信噪比

γ_{ske} = \frac{γ_{sk} γ_{ke}}{γ_{ke} + C_{1}},

其中

γ_{ke} = \frac{P_{R_{k}} {| h_{3 k} |}^{2}}{N_{1}};

当放大增益为可变时，即

G = \sqrt{\frac{P_{R_{k}}}{P_{S} {| h_{1 k} |}^{2} + N_{0}}},