CN105680995B - 一种信号传输方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了信号传输方法、装置及系统，其中的中继设备可以接收信号发送设备发送的第一信号；当判断自身为转发中继设备时，根据第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送第二干扰信号的同时将第二信号发送至信号接收设备；当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，在转发中继设备发送第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至信号接收设备。应用本发明，可以降低信号接收设备解调第二信号的计算复杂度、简化信号传输过程；同时可以保证中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全性。

Description

一种信号传输方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及无线通信系统技术领域，特别是涉及一种信号传输方法、装置及系统。

背景技术

多输入多输出(multiple-input-multiple-output,MIMO)无线通信系统因抗衰落性能好、误码率低、信道容量水平高和数据传输速率更快等特点，已经成为新一代无线通信领域中的一项重要技术。

然而，在关注无线通信系统有效性和可靠性的同时，无线通信的安全性也不可忽视。由于无线通信系统传输介质的开放性、无线终端的移动性和无线通信网络拓补结构的多样性和变化性等特点，使得无线通信系统受到的安全威胁更甚于物理传输介质相对的有线通信系统。传统的信息安全技术主要为应用于网络层及以上各层的以密码学为基础的相关加密技术，其缺点是易被破解、安全性差。近年来，提出的基于物理层的无线通信安全技术给MIMO系统的安全传输提供了新的方向。

目前，面向物理层安全技术主要为集中式传输方式，主要包括两种：一种是基于空间调制的传输预编码策略，另一种是基于空间调制的随机预编码策略。

基于空间调制的有限输入预编码策略：源节点到窃听节点的信道状态信息(CSI，Channel State Information)已知，输入信号为有限的序列，经过空间调制后映射到传输天线和传统的PSK/QAM信号，为了抵御窃听节点的窃听，运用预编码策略，在被激活的天线传输的PAK/QAM信号上乘以一个预编码系数α_m，来旋转和放大信号，且被激活的天线不同时这个预编码系数也不同，这个预编码系数α_m对窃听节点是未知的，对于目的节点是已知的。这样不管是哪根天线传输的信号，对于窃听节点来说其接收到的信号总是一样的，因此窃听节点不能进行正确解码；而对于目的节点，这个预编码系数α_m是已知的，从而可以正确解码，从而保证了传输信号的安全。这种策略虽然能够有效增强系统的安全性能，但是需要知道精确的发送者到窃听者之间的CSI，这导致巨大的信令反馈开销及计算复杂度，缺乏实用性，从而限制了这种策略的使用。

基于空间调制的随机预编码策略：源节点到窃听节点之间的CSI是未知的，源节点到目的节点信道增益是已知的，源节点对要传输的信号进行预编码处理，预编码的权值会根据实际输入信号的改变而改变。目的节点使用反向同步发送训练序列，让源节点估算出源节点到目的节点之间的信道信息，该反向同步可以抵御窃听节点估算窃听节点到源节点之间的信道信息，窃听节点只能盲目估算出传输信号，从而增加了窃听源节点传输的信号的复杂度。这种策略虽然不需要预先知道发送者到窃听者的CSI，然而，由于随机编码器需要依靠实际的输入信号进行编码，所以这种策略使得目的接收机变得更加复杂。

可见，现有的基于物理层的无线通信安全技术繁琐、复杂，实用性差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种信号传输方法、装置及系统，以简化信号传输过程，降低传输过程的复杂度，并保证传输数据的安全性。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种信号传输方法，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述方法包括如下步骤：

接收所述信号发送设备发送的第一信号；

当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

优选的，所述在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备包括：

所述转发中继设备向基站发送向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号；以使所述基站根据所述第一请求信号和所述干扰中继设备向基站发送的向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号，确定发送时刻；

接收所述基站发送的所述发送时刻的信息，在所述发送时刻将所述第二信号发送至所述信号接收设备。

优选的，所述在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备包括：

所述干扰中继设备向基站发送向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号；以使所述基站根据所述第二请求信号和所述转发中继设备向所述基站发送的向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号，确定发送时刻；

接收所述基站发送的所述发送时刻的信息，在所述发送时刻将所述第二干扰信号发送至所述信号接收设备。

本发明实施例还公开了一种信号传输装置，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述装置包括：第一信号接收模块、第二信号发送模块和第二干扰信号发送模块，

所述第一信号接收模块，用于接收所述信号发送设备发送的第一信号；

所述第二信号发送模块，用于当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

所述第二干扰信号发送模块，用于当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

本发明实施例还公开了一种信号传输系统，所述系统包括：转发中继设备、干扰中继设备和信号接收设备，所述转发中继设备和所述干扰中继设备均与所述信号接收设备无线连接，

所述转发中继设备，用于接收信号发送设备发送的第一信号；根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

所述干扰中继设备，用于在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID；其中，所述干扰中继设备为非转发中继设备，且自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；

所述信号接收设备，用于接收由所述转发中继设备发送的第二信号和所述干扰中继设备发送的第二干扰信号，根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从接收到的信号中去除所述第二干扰信号，获得所述第二信号。

优选的，所述系统还包括：基站，所述转发中继设备、所述干扰中继设备和所述信号接收设备均与所述基站连接，

所述基站，用于接收所述转发中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号；接收所述干扰中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号；根据所述第一请求信号和所述第二请求信号，确定发送时刻；将确定的所述发送时刻的信息发送至所述转发中继设备和所述干扰中继设备。

优选的，所述基站，还用于将干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系通知信号接收设备；

所述信号接收设备，还用于接收并保存所述基站发送的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系。

优选的，所述系统还包括：信号发送设备，

所述信号发送设备，用于获得待传输的第一信息序列；采用空间调制技术对所述第一信息序列进行调制，获得第一信号；确定自身与转发所述第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，所述第一干扰信号与所述信道响应矩阵的乘积为零；广播由所述第一信号和所述第一干扰信号组成的信号。

优选的，所述信号发送设备，具体用于获得与所述零空间矩阵维度相同的向量，并将该向量作为第一干扰信号，所述第一干扰信号为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为所述信号发送设备与转发所述第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的秩。

优选的，α_i为均匀分布在N_t-r维球形的随机向量中的元素，且

本发明实施例提供的一种信号传输方法、装置及系统，其中的中继设备可以接收信号发送设备发送的第一信号；当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。本发明提供的一种信号传输方法、装置及系统，由于信号接收设备可以根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，将干扰中继设备发送的预设的第二干扰信号去除，从而获得第二信号；而窃听设备中不存在干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从而也无法从窃听到的信号中去除第二干扰信号。因此，相比于现有的面向物理层安全技术，本发明可以降低信号接收设备解调第二信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；同时保证了中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全性。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种信号传输方法，应用于信号发送设备；

图2为空间调制的基本框架图；

图3为本发明实施例提供的一种信号传输装置，应用于信号发送设备；

图4为本发明实施例提供的另一种信号传输方法，应用于中继设备；

图5为本发明实施例提供的另一种信号传输装置，应用于中继设备；

图6为本发明实施例提供的一种信号传输系统结构图；

图7为本发明实施例提供的另一种信号传输系统结构图；

图8为本发明实施例提供的另一种信号传输系统结构图；

图9为本发明图8提供的另一种信号传输系统在实际应用中的模型示意图；

图10至图14为利用本发明图8提供的另一种信号传输系统获得的安全传输速率随SNR的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了两种信号传输方法及装置，一种应用于信号发送设备，另一种应用于中继设备，本发明实施例还提供了一种信号传输系统，下面分别进行说明。

首先需要说明的是，在本发明提供的所有实施例中：信号发送设备用S表示，中继设备用R表示，窃听设备用E表示；定义：信号发送设备S与中继设备R之间的信道响应矩阵为H_sr，信号发送设备S与窃听设备E之间的信道响应矩阵为H_se。信号发送设备具有多天线，且天线数量为N_t；中继设备R具有单天线，即天线数量N_r＝1；窃听设备E也具有单天线，即天线数量N_e＝1；且信号发送设备与中继设备之间、中继设备与信号接收设备之间的CSI均互相已知。可以将信号发送设备、中继设备、信号接收设备以及窃听设备称为节点，各个节点之间的信道服从大尺度路径损耗模型，节点之间的信道是独立同分布平坦衰落信道，信道增益仅与距离有关。信道的噪声是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声(AWGN)。

下面先对应用于信号发送设备中的方案进行说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种信号传输方法，应用于信号发送设备，所述信号发送设备具有多根天线，所述信号发送设备与目的中继设备无线连接，该方法可以包括如下步骤：

S101、获得待传输的第一信息序列；

具体的，确定一个长度为L的信息比特序列b作为待传输的第一信息序列。

S102、采用空间调制(SM，Spatial Modulation)技术对所述第一信息序列进行调制，获得第一信号；

具体的，如图2所示，信号发送设备利用SM技术来传输信号，对每一个长度为L的信息比特序列b进行空间调制，获得第一信号s_n，经过空间调制获得的第一信号为N_t×1维向量，第一信号中只有一个非零元素s_m：

其中，s_m是非零的多进制相移键控调制(M-PSK，Multiple Phase Shift Keying)符号，或多进制正交幅度调制(M-QAM，Multiple Quadrature Amplitude Modulation)符号，e_n＝[0…0 1 0…0]^T是第n个位置为非零元素的单位向量，n-th表示第n个位置，n为信号发送设备的天线序号。

每一个发送时隙可以传输：L＝log₂(N_t)+log₂(M)比特数的信息，即第一信息序列b的长度为L，其中N_t表示信号发送设备的发射天线数目，M表示相移键控调制(PSK)或者正交振幅调制(QAM)中星座图的大小，或者可以将M简称为调制阶数。

S103、确定自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，所述第一干扰信号与所述信道响应矩阵的乘积为零；

信号发送设备传输的第一信号为SM信号，并向中继设备广播第一信号，窃听设备尝试窃听该信号。为了抵御窃听设备的窃听，信号发送设备在广播第一信号的同时广播第一干扰信号，该第一干扰信号对目的中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响，从而确保从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全。

具体的，确定自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵的过程如下：

对H_sr进行奇异值分解：

H_sr＝U∑V^H

其中，奇异值对角矩阵∑：

∑＝Diag{σ₁,σ₂,…σ_r,0…0}

σ₁,σ₂,…σ_r是奇异值对角矩阵∑的奇异值，由于信号发送设备S与中继设备R之间 的信道响应矩阵H_sr的秩：rank(H_sr)＝r_sr<N_t，U是m×m阶酉矩阵，V是n×n阶酉矩阵，酉矩阵包括零空间矩阵：其中v_i表示零空间 矩阵的元素，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t，H_sr·V_⊥＝0。

具体的，根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号的过程可以为：

获得与所述零空间矩阵V_⊥维度相同的向量q，并将该向量q作为第一干扰信号：其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t，即第一干扰信号中的元素q_i与所述零空间矩阵相同位置的元素v_i相对应；

其中，z_i为系数，可以由服从独立同分布的随机高斯源产生z_i，并使z_i服从正态分布，即也即第一干扰信号中的元素服从正态分布；v_i为零空间向量；零空间矩阵的元素v_i的权重系数为随机数α_i；这样，可以获得与零空间矩阵特性相同的第一干扰信号q；

具体的，由于H_sr·V_⊥＝0，而第一干扰信号q的特性与零空间矩阵V_⊥的特性相同，因此，H_sr·q＝0。

优选的，可以通过产生均匀分布在N_t-r维球形且满足的随机向量来进一步增强第一干扰信号q的破解难度，从而进一步增强从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全性。此时，第一干扰信号q的功率为：

S104、广播由所述第一信号和所述第一干扰信号组成的信号。

具体的，根据步骤S102和步骤S103中确定的第一信号s_n和第一干扰信号q，信号发送设备传输的信号可以表示为：

假设信号发送设备要传输的第一信号s_n的功率为：则，信号发送设备传输的信号的功率可以表示为：

因此，信号发送设备广播出去的信号可以为x_s。

由于H_sr·q＝0。这样，中继设备接收到的信号可以表示为：

其中w_sr为噪声；

由于信号发送设备到窃听设备之间的CSI与信号发送设备到中继设备之间的CSI不同，因此，信号发送设备到窃听设备之间的信道响应矩阵H_se与信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵H_sr也不同，这样H_se·q≠0，则，窃听设备接收到的信号可以表示为：

其中w_se为噪声；

可见，中继设备不受第一干扰信号的影响，而窃听设备会受到第一干扰信号的影响，从而保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

本发明实施例提供的一种信号传输方法，应用于信号发送设备，可以获得待传输的第一信息序列；采用空间调制技术对第一信息序列进行调制，获得第一信号；确定自身与转发第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，第一干扰信号与信道响应矩阵的乘积为零；广播由第一信号和第一干扰信号组成的信号。因此，本发明提供的一种信号传输方法，由于第一干扰信号是根据零空间矩阵确定的，第一干扰信号与信号发送设备与转发第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的乘积为零，但是，第一干扰信号与信号发送设备与窃听设备之间的信道响应矩阵的乘积不为零，因此，信号发送设备发送的第一干扰信号对目的中继设备不产生影响，但是对窃听设备有影响，使得窃听设备无法正确解调出第一信号。这一方面，相比于现有的面向物理层安全技术，降低了中继设备解调第一信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；另一方面，保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

相应于图1所示的方法实施例，如图3所示，本发明实施例还提供了一种信号传输装置，应用于信号发送设备，所述信号发送设备具有多根天线，所述信号发送设备与目的中继设备无线连接，所述装置可以包括：信息获取模块101、第一调制模块102、第一干扰信号确定模块103和广播模块104，

信息获取模块101，用于获得待传输的第一信息序列；

同样的，确定一个长度为L的信息比特序列b作为待传输的第一信息序列。

第一调制模块102，用于采用空间调制技术对所述第一信息序列进行调制，获得第一信号；

同样的，采用SM技术对第一信息序列b进行调制，得到只有一个非零元素s_m的N_t×1维向量：

即第一信号为s_n，其中，s_m是非零的M-PSK/M-QAM调制符号，n为信号发送设备的天线序号。每一个发送时隙可以传输：L＝log₂(N_t)+log₂(M)比特数的信息，其中N_t表示信号发送设备的发射天线数目，M表示相移键控调制(PSK)或者正交振幅调制(QAM)中星座图的大小。信号发送设备是多天线，且天线数量为N_t。

第一干扰信号确定模块103，用于确定自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，所述第一干扰信号与所述信道响应矩阵的乘积为零；

具体的，信号发送设备传输的第一信号为SM信号，并向中继设备广播第一信号，窃听设备尝试窃听该信号。为了抵御窃听设备的窃听，信号发送设备在广播第一信号的同时广播第一干扰信号，该第一干扰信号对目的中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响，从而确保从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全。

具体的，所述第一干扰信号确定模块具体用于获得与所述零空间矩阵维度相同的向量，并将该向量作为第一干扰信号。

具体的，确定自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵H_sr的零空间矩阵V_⊥的过程与图1所示的方法实施例中一致，此处不再赘述，其中H_sr·V_⊥＝0。

具体的，第一干扰信号为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为所述信道响应矩阵的秩。

优选的，可以通过产生均匀分布在N_t-r维球形且满足的随机向量来进一步增强第一干扰信号q的破解难度，从而进一步增强从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全性。此时，第一干扰信号q的功率为：

广播模块104，用于广播由所述第一信号和所述第一干扰信号组成的信号。

同样的，根据第一调制模块102和第一干扰信号确定模块103确定的第一信号s_n和第一干扰信号q，信号发送设备传输的信号可以表示为：

假设信号发送设备要传输的第一信号s_n的功率为：则，信号发送设备传输的信号的功率可以表示为：

因此，信号发送设备广播出去的信号可以为x_s。

同样的，由于H_sr·q＝0。这样，中继设备接收到的信号可以表示为：

其中w_sr为噪声；

由于信号发送设备到窃听设备之间的CSI与信号发送设备到中继设备之间的CSI不同，因此，信号发送设备到窃听设备之间的信道响应矩阵H_se与信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵H_sr也不同，这样H_se·q≠0，则，窃听设备接收到的信号可以表示为：

其中w_se为噪声；

可见，中继设备不受第一干扰信号的影响，而窃听设备会受到第一干扰信号的影响，从而保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

本发明实施例提供的一种信号传输装置，应用于信号发送设备，可以获得待传输的第一信息序列；采用空间调制技术对第一信息序列进行调制，获得第一信号；确定自身与转发第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，第一干扰信号与信道响应矩阵的乘积为零；广播由第一信号和第一干扰信号组成的信号。本发明提供的一种信号传输装置，由于第一干扰信号是根据零空间矩阵确定的，第一干扰信号与信号发送设备与转发第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的乘积为零，但是，第一干扰信号与信号发送设备与窃听设备之间的信道响应矩阵的乘积不为零，因此，信号发送设备发送的第一干扰信号对目的中继设备不产生影响，但是对窃听设备有影响，使得窃听设备无法正确解调出第一信号。这一方面，相比于现有的面向物理层安全技术，降低了中继设备解调第一信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；另一方面，保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

下面对应用于中继设备中的方案进行说明。

如图4所示本发明实施例还提供了另一种信号传输方法，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述方法可以包括如下步骤：

S201、接收所述信号发送设备发送的第一信号；

具体的，第一信号可以为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得的信号。

当然，为了进一步增强信号发送设备与中继设备之间传输的信号的安全性，即为了抵御窃听设备对中继设备接收到的信号的窃听，第一信号还可以为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得信号与第一干扰信号的叠加信号；该第一干扰信号对中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响，从而确保从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全。

例如，第一干扰信号可以是信号发送设备根据自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵确定的，该第一干扰信号的特性与零空间矩阵V_⊥的特性相同，即H_sr·q＝0；由于信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵H_sr与信号发送设备到窃听设备之间的信道响应矩阵H_se不同，因此，H_se·q≠0。这样第一干扰信号对中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响。

具体的，第一干扰信号可以为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为信道响应矩阵H_sr的秩。

优选的，α_i还可以为均匀分布在N_t-r维球形的随机向量中的元 素，且

具体的，生成第一干扰信号并发送的过程可以参加图1所示的实施例，在这里就不再赘述。

当中继设备接收到的第一信号为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得信号s_n与第一干扰信号q的叠加信号x_s时，中继设备接收到的第一信号可以表示为：

其中，P_x为信号发送设备传输的信号的功率，H_sr为信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵，w_sr为噪声；

窃听设备接收到的信号可以表示为：

其中w_se为噪声，H_se为信号发送设备到窃听设备之间的信道响应矩阵；

进一步，当第一干扰信号q为信号发送设备根据自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵确定的，与零空间矩阵V_⊥的特性相同时，即当H_sr·q＝0时：

中继设备接收到的第一信号可以进一步表示为：

由于H_se·q≠0，则窃听设备接收到的信号仍然为：

可见，中继设备不受第一干扰信号的影响，而窃听设备会受到第一干扰信号的影响，从而进一步保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

S202、当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

具体的，对获得的所述第一信号进行解调，获得解调后的第一信息序列；

具体的，如图2所示，中继设备先检测出信号发送设备的发送天线序号n及调制符号s_m，然后利用最大似然准则(ML，Maximum Likelihood)进行解调，并且可以假设中继设备是无错解调的，且有：

其中，s_m是M-PSK/M-QAM调制符号，是中继设备解调出的符号，是比特到符号的映射函数，是中继设备估算出的信号发送设备传输的第一信息序列b估计序列，具体的，对第一信号的解调属于现有技术，此处不做详述。

具体的，根据中继设备的ID判断自身是否为转发中继设备的方案属于现有技术，此处不做详细描述。

为了保证转发中继设备和干扰中继设备同时发送第二信号和第二干扰信号，在本发明实施例中，转发中继设备可以通过向基站发送第一请求信号，请求向信号接收设备发送第二信号的发送时刻；干扰中继设备向基站发送第二请求信号，请求向信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻，以使基站根据第一请求信号和第二请求信号，确定发送时刻；

然后，转发中继设备和干扰中继设备接收基站发送的发送时刻的信息，在发送时刻将第二信号和第二干扰信号发送至信号接收设备，以保证转发中继设备和干扰中继设备同时发送信号。因为转发中继设备和干扰中继设备在发送时刻发送了第二信号和预设的第二干扰信号，对于窃听设备来说其并不知道第二干扰信号是什么，因此可以保证转发中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全。

S203、当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

具体的，在执行步骤S202前，网络中的所有中继设备(中继节点)可以均与网络中的基站进行通信，基站获得每个中继设备所发送的，其作为干扰中继设备时发送的预设的第二干扰信号及该中继设备的数字识别符ID，并告知信号接收设备每个中继设备被选作干扰中继设备时所发送的预设的第二干扰信号，每一中继设备对应的第二干扰信号携带有该中继设备的ID，信号接收设备可以将每一中继设备的ID及每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系进行保存。

这样，当信号接收设备接收到干扰中继设备发送的第二干扰信号时，可根据第二干扰信号携带的ID，判断出是哪个中继设备发送的该第二干扰信号，进而根据存储的每一中继设备的ID及每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系，判断出第二干扰信号具体是什么，并将其从接收到的叠加信号中去除，即该第二干扰信号对信号接收设备是友好的，信号接收设备可以去除该第二干扰信号；而窃听设备中不存在每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系，因此窃听设备无法知道第二干扰信号是什么，也无法将其从接收到的信号中去除，从而无法实现对第二信号的窃听。

具体的，预设的第二干扰信号可以表示为：x_J ^(J)＝n_J，该第二干扰信号可以是均值为0，方差为的信号，的值为该干扰信号的功率。

本发明实施例提供的一种信号传输方法，应用于中继设备，可以接收信号发送设备发送的第一信号；当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。本发明提供的一种信号传输方法，可以根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，将干扰中继设备发送的预设的第二干扰信号去除，从而获得第二信号；而窃听设备中不存在干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从而也无法从窃听到的信号中去除第二干扰信号。因此，相比于现有的面向物理层安全技术，本发明可以降低信号接收设备解调第二信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；同时保证了中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全性。

相应于图4所示的方法实施例，如图5所示，本发明还提供了一种信号传输装置，其特征在于，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述装置可以包括：第一信号接收模块201、第二信号发送模块202和第二干扰信号发送模块203，

第一信号接收模块201，用于接收所述信号发送设备发送的第一信号；

具体的，第一信号可以为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得的信号。

当然，为了进一步增强信号发送设备与中继设备之间传输的信号的安全性，即为了抵御窃听设备对中继设备接收到的信号的窃听，第一信号还可以为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得信号与第一干扰信号的叠加信号；该第一干扰信号对中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响，从而确保从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全。

例如，第一干扰信号可以是信号发送设备根据自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵确定的，该第一干扰信号的特性与零空间矩阵V_⊥的特性相同，即H_sr·q＝0；由于信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵H_sr与信号发送设备到窃听设备之间的信道响应矩阵H_se不同，因此，H_se·q≠0。这样第一干扰信号对中继设备没有影响，但是对窃听设备有影响。

具体的，第一干扰信号可以为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为信道响应矩阵H_sr的秩；

优选的，α_i还可以为均匀分布在N_t-r维球形的随机向量中的元 素，且

具体的，生成第一干扰信号并发送的过程可以参加图1所示的实施例，在这里就不再赘述。

当中继设备接收到的第一信号为信号发送设备发送的采用空间调制技术调制获得信号s_n与第一干扰信号q的叠加信号x_s时，第一接收模块201接收到的信号可以表示为：

上式中各参数的物理意义与图4所示的方法实施例中一致，此处不再赘述；

窃听设备接收到的信号可以表示为：

上式中各参数的物理意义与图4所示的方法实施例中一致，此处不再赘述；

进一步，当第一干扰信号q为信号发送设备根据自身与转发所述第一信号的所述目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵确定的，与零空间矩阵V_⊥的特性相同时，即当H_sr·q＝0时：

第一接收模块201接收到的第一信号可以进一步表示为：

由于H_se·q≠0，则窃听设备接收到的信号仍然为：

可见，中继设备不受第一干扰信号的影响，而窃听设备会受到第一干扰信号的影响，从而进一步保证了信号发送设备向中继设备传输第一信号的安全性。

第二信号发送模块202，当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

具体的，对第一信号的解调方法与过程与图4所示的方法实施例中一致，此处不再赘述。解调后获得第一信号对应的第一信息序列b的估计序列

具体的，根据中继设备的ID判断自身是否为转发中继设备的方案属于现有技术，此处不做详细描述。

为了保证转发中继设备和干扰中继设备同时发送第二信号和第二干扰信号，在本发明实施例中，转发中继设备可以通过向基站发送第一请求信号，请求向信号接收设备发送第二信号的发送时刻；干扰中继设备向基站发送第二请求信号，请求向信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻，以使基站根据第一请求信号和第二请求信号，确定发送时刻；

然后，转发中继设备和干扰中继设备接收基站发送的发送时刻的信息，在发送时刻将第二信号和第二干扰信号发送至信号接收设备，以保证转发中继设备和干扰中继设备同时发送信号。因为转发中继设备和干扰中继设备在发送时刻发送了第二信号和预设的第二干扰信号，对于窃听设备来说其并不知道第二干扰信号是什么，因此可以保证转发中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全。

第二干扰信号发送模块203，当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

具体的，在触发第二信号发送模块202前，网络中的所有中继设备(中继节点)均与网络中的基站进行通信，基站获得每个中继设备所发送的，，其作为干扰中继设备时发送的预设的第二干扰信号及该中继设备的数字识别符ID，并告知信号接收设备每个中继设备被选作干扰中继设备时所发送的预设的第二干扰信号，每一中继设备对应的第二干扰信号携带有该中继设备的ID，信号接收设备可以将每一中继设备的ID及每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系进行保存。

这样，当信号接收设备接收到干扰中继设备发送的第二干扰信号时，可根据第二干扰信号携带的ID，判断出是哪个中继设备发送的该第二干扰信号，进而根据存储的每一中继设备的ID及每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系，判断出第二干扰信号具体是什么，并将其从接收到的叠加信号中去除，即该第二干扰信号对信号接收设备是友好的，信号接收设备可以去除该第二干扰信号；而窃听设备中不存在每一中继设备被选作干扰中继设备时所发送的第二干扰信号的对应关系，因此窃听设备无法知道第二干扰信号是什么，也无法将其从接收到的叠加信号中去除，从而无法实现对第二信号的窃听。

具体的，预设的第二干扰信号可以表示为：x_J ^(J)＝n_J，该第二干扰信号可以是均值为0，方差为的信号，的值为该干扰信号的功率。

本发明实施例提供的一种信号传输装置，应用于中继设备，可以接收信号发送设备发送的第一信号；当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。本发明提供的一种信号传输装置，可以根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，将干扰中继设备发送的预设的第二干扰信号去除，从而获得第二信号；而窃听设备中不存在干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从而也无法从窃听到的信号中去除第二干扰信号。因此，相比于现有的面向物理层安全技术，本发明可以降低信号接收设备解调第二信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；同时保证了中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全性。

下面对本发明实施例提供的信号传输系统进行说明。

如图6所示，本发明实施例提供了一种信号传输系统，该系统可以包括：转发中继设备、干扰中继设备和信号接收设备，所述转发中继设备和所述干扰中继设备均与所述信号接收设备无线连接，

其中，所述转发中继设备，用于接收信号发送设备发送的第一信号；根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

具体的，该转发中继设备可以为本发明图5提供的实施例中的转发中继设备。

所述干扰中继设备，用于在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID；其中，所述干扰中继设备为非转发中继设备，且自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；

具体的，该干扰中继设备可以为本发明图5提供的实施例中的干扰中继设备。

具体的，保证转发中继设备与干扰中继设备同时发送第二信号和第二干扰信号的方案与图4所示的方法实施例中一致，此处不再赘述。

所述信号接收设备，用于接收由所述转发中继设备发送的第二信号和所述干扰中继设备发送的第二干扰信号，根据所述预设的第二干扰信号携带的所述干扰中继设备的数字识别符ID从接收到的信号中去除所述第二干扰信号，获得所述第二信号。

优选的，所述信号接收设备，还可以用于接收并保存所述基站发送的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系。

优选的，所述信号接收设备，还可以用于对所述第二信号进行解调，获得所述信号发送设备发送的第一信息序列。

优选的，如图7所示，在本发明图6所示的实施例的基础上，本发明实施例还提供了另一种信号传输系统，该系统还可以包括：基站，所述转发中继设备、所述干扰中继设备和所述信号接收设备均与所述基站连接，

所述基站，用于接收所述转发中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号；接收所述干扰中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号；根据所述第一请求信号和所述第二请求信号，确定发送时刻；将确定的所述发送时刻的信息发送至所述转发中继设备和所述干扰中继设备；以使转发中继设备和干扰中继设备同时发送第二信号和第二干扰信号。

优选的，基站还用于将干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系通知信号接收设备；以使信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号；而窃听设备中不存在干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，因此也无法从窃听到的信号中去除所述第二干扰信号。从而保证了转发中继设备向信号接收设备转发第二信号的安全性。

优选的，如图8所示，在本发明图7所示的实施例的基础上，本发明实施例还提供了另一种信号传输系统，该系统还可以包括：信号发送设备，

所述信号发送设备，用于获得待传输的第一信息序列；采用空间调制技术对所述第一信息序列进行调制，获得第一信号；确定自身与转发所述第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，所述第一干扰信号与所述信道响应矩阵的乘积为零；广播由所述第一信号和所述第一干扰信号组成的信号。

具体的，根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号包括：获得与所述零空间矩阵维度相同的向量，并将该向量作为第一干扰信号。其中，确定零空间矩阵的方法及过程与图1所示的方法实施例一致，此处不做详述。

具体的，第一干扰信号可以为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为信号发送设备与转发第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的秩。

优选的，α_i还可以为均匀分布在N_t-r维球形的随机向量中的元 素，且

具体的，在本发明图8提供的实施例中，可以将信号发送设备广播由第一信号和第一干扰信号组成的信号的传输过程称为第一传输阶段(简称第一阶段)。在该第一阶段，信号发送设备传输的第一信号为SM信号，并向中继设备广播第一信号，窃听设备尝试窃听该信号。为了抵御窃听设备的窃听，根据信号发送设备在信号发送设备到中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵，确定第一干扰信号，并在广播第一信号的同时广播第一干扰信号，从而确保从信号发送设备传输到中继设备的第一信号的安全。其中，第一干扰信号的确定方法及特性与图1所示的方法实施例中一致，此处不做重复描述。

具体的，在本发明图8提供的实施例中，可以将转发中继设备向信号接收设备发送第二信号，及干扰中继设备向信号接收设备发送第二干扰信号的传输过程称为第二传输阶段(简称第二阶段)。在该第二阶段，转发中继设备向信号接收设备发送第二信号，窃听设备尝试窃听该信号，为了抵御窃听设备的窃听，干扰中继设备向信号接收设备发送对信号接收设备友好的第二干扰信号，信号接收设备知道第二该干扰信号并可以在接收信号中将第二干扰信号剔除，从而确保第一信号在第二传输阶段的安全。其中，第二干扰信号的确定方法及特性与图4所示的方法实施例中一致，此处不做重复描述。

图9显示了本发明图8提供的另一种信号传输系统在实际应用中的模型示意图，在图9中信号发送设备用S表示，中继设备有多个，用R₁至R₄表示，信号接收设备用D表示，窃听设备用E表示。在第一阶段，S向所有中继及窃听设备广播第一信号及第一干扰信号；在第二阶段，中继设备R₄被激活作为转发中继设备，中继设备R₃被选作干扰中继设备J。

为了进一步说明书本发明图8所提供的一种信号传输系统的有益效果，下面对图7所提供的实施例中的第一阶段和第二阶段的安全性能进行如下分析。

首先对第一阶段的安全性能进行分析：

根据图1所示的方法实施例中的记载可知，中继设备接收到的信号可以表示为：

窃听设备接收到的信号可以表示为：

假设信号发送设备到中继设备的的接收信道响应矩阵为：

中继设备到窃听设备的接收信道响应矩阵为：

信号发送设备每根传输天线被选择的概率为1/N_t，在M-QAM调制中每个符号s_m被选择的概率为1/M，所以，对中继设备R接收的信号y_sr，其复信号向量分布为：

σ是中继设备接收到的信号的标准差，σ²是中继设备接收到的信号的方差，对于窃听设备E，因为z_i与w_se是独立的，所以第一干扰信号加噪声可以等于：

其中，w'_se的均值为0，w'_se的协方差矩阵为：

其中为I为信号发送设备与窃听设备之间的互信息，可以表示为：I(y_se；[g_n,s_m])。

由于因此我们可以将窃听设备接收到的信号重写为：

y_se＝g_ns_m+w'_se，n＝r_sr+1,…,N_t

在接收信号y_se上应用一个线性白变换矩阵：来白化第一干扰信号加噪声，R_se是w_se的协方差矩阵，从而得到：

其中w_ξ的协方差矩阵是σ²I。

如果第一干扰信号q的α是确定的，并且w_ξ是独立同分布的高斯信号，则，

定义：和n＝r_sr+1,…,N_t，n₂＝r_sr+ 1,…,N_t，m＝1,2,…,M，m₂＝1,2,…,M，则可以得到信号发送设备到中继设备之间的互信息 为：

同理，得到信号发送设备到窃听设备之间的互信息为：

所以，第一阶段的安全速率可以表示为：

R_sr＝max(I_sr-I_se)

下面对第二阶段的安全性能进行分析：

第二传输阶段，如果转发中继设备不仅转发了信号发送设备发送的第一信息序列，还发送了自身的N-PSK/QAM调制信号。信号接收设备不仅要解调出转发中继设备本身传输的N-PSK/N-QAM调制信号，也要解调出转发中继设备本身ID隐形转发的信号发送设备传输的信号，所以可以解调出B_r＝log₂(N)+log₂(K)比特的信号，其中log₂(N)是转发中继设备自身传输的信号比特，log₂(K)是转发中继设备利用自身ID隐形转发的信号发送设备传输的信号。

假设：

在基于分布式空间调制和协作中继的方案中，一共有K个中继设备，每个中继设备被激活的概率是1/K，在N-PSK/QAM调制中每个符号s_n被选择的概率是1/N，n＝r_sr+1,…,N_t，所以，对于信号接收设备所接收的信号y_rd，复信号向量分布为：

上式中，σ是信号接收设备设备接收到的信号的标准差，σ²是信号接收设备接收到的信号的方差，干扰中继设备发送第二干扰信号x_J ^(J)＝n_J，该第二干扰信号是均值为0，方差为的信号，窃听设备不知道该第二干扰信号。对于窃听设备，因为n_J和w_re是独立的，所以干扰加噪声可以等于：

其中，w'_re均值为0，协方差矩阵为：

可以将窃听设备接收到的信号重写为：

y_re＝g_ks_n+w′_re

在不影响互信息I(y_re；[g_k,s_n])的情况下，可以在接收信号y_re上应用一个线性白变换矩阵：来白化第二干扰信号加噪声，R_se是w_se的协方差矩阵从而得到：

w_ξ的协方差矩阵是σ²I。

因此，对于窃听设备的复信号向量分布可以表示为：

定义：和n＝r_sr+1,…,N_t，n₂＝r_sr+1,…, N_t，k＝1,2,…,N，k₂＝1,2,…,N，则可以得到中继设备到信号接收设备之间的互信息为：

同理，得到中继设备到窃听设备之间的互信息为：

则，第二阶段的安全速率可以表示为：

R_rd＝max(I_rd-I_re)

综合上述两个传输阶段，由于使用了两个时隙来完成传输，所以实际的安全速率分别是：

第一阶段的安全速率为：

第二阶段的安全速率为：

根据上述对第一阶段及第二阶段的安全速率的分析，在本发明提供的实施例中，给出了应用本发明图7提供的一种信号传输系统，对两个阶段的安全传输速率与SNR(信噪比)的变化关系进行仿真计算的结果，具体的，图10至图14显示了利用本发明图7提供的另一种信号传输系统获得的安全传输速率随SNR的变化曲线图，在图10至图14中Rsr表示第一传输阶段获得的安全速率，Rrd表示第二传输阶段获得的安全速率。

具体的，在仿真计算中，在第一阶段：信号发送设备的输入为有限QPSK信号，信号发送设备的调制信号的功率为加性复高斯白噪声的功率为λ²，信噪比第一干扰信号的功率为所以总的传输信号功率在第二阶段，转发中继设备传输的第二信号为QPSK信号或QAM信号，第二信号的功率为P_r，干扰中继设备传输的第二干扰信号的功率P_J，且P_r+P_J＝1，中继设备的个数为K。

具体的，使用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法进行了5000次仿真实验并将结果取平均值，并在100个随机样本α上求得平均安全速率。联合考虑信号发送设备的发射天线数N_t、第一阶段调制阶数M、中继设备的个数K、第二阶段的调制阶数N、以及中继设备的传输功率进行仿真验证，评估信号接收设备的安全速率随着SNR的变化。

具体的，图10为N_t＝2，M＝4，8，K＝8，16，N＝4，β＝0.1,0.5，P_r＝P_J＝0.5时的第一和第二阶段安全速率随SNR的变化关系图，其中M＝4时，对应的K＝8；M＝8时，对应的K＝16。从图10中可以看出，在第一阶段：在SNR、β和N_t相同的情况下，调制阶数M越大，安全速率越高；在SNR、N_t和第一阶段调制阶数M相同的情况下，β越大，即第一干扰信号的功率越大，第一阶段的安全速率越高；在第二阶段：在P_r、P_J、第二阶段的调制阶数N相同的情况下，第一阶段的调制阶数M越大，第二阶段的安全速率越高。且不论是第一阶段还是第二阶段，在其他参数相同的情况下，安全传输速率都随SNR的增大而增大并最终趋近于一个稳定值。

具体的，图11为N_t＝2,4，M＝4，K＝16，N＝4，β＝0.1,0.5，P_r＝P_J＝0.5时的第一和第二阶段安全速率随SNR的变化关系图，从图11中可以看出，在SNR、N_t和第一阶段调制阶数M相同的情况下，第一干扰信号β越大，第一阶段的安全速率越高；增大第一阶段的信号发送设备的天线数量，则第一阶段获得的安全速率和对应的第二阶段所获得的安全速率均增大。且不论是第一阶段还是第二阶段，在其他参数相同的情况下，安全传输速率都随SNR的增大而增大并最终趋近于一个稳定值。

具体的，图12为N_t＝4，M＝4，K＝16，N＝4，8，β＝0.0,0.1,0.2,0.5，P_r＝P_J＝0.5时的第一和第二阶段安全速率随SNR的变化关系图，从图12中可以看出，在第一阶段：在SNR、N_t和第一阶段调制阶数M相同的情况下，第一干扰信号β越大，第一阶段的安全速率越高；在第二阶段：在SNR、P_r、P_J相同的情况下，随着第二阶段调制阶数N的增大，第二阶段的安全速率也增大。同样的，不论是第一阶段还是第二阶段，只要第一阶段中的第一干扰信号的功率不为0，在其他参数相同的情况下，安全传输速率都随SNR的增大而增大并最终趋近于一个稳定值。

具体的，图13为N_t＝4，M＝4，K＝16，N＝4，β＝0.0,0.1,0.2,0.5，改变转发中继设备和干扰中继设备的传输的信号的功率，分别为：(1)P_r＝P_J＝0.5；(2)P_r＝0.4，P_J＝0.6；(3)P_r＝0.3，P_J＝0.7时的第一和第二阶段安全速率随SNR的变化关系图，从图13中可以看出，在第一阶段：在SNR、N_t和第一阶段调制阶数M相同的情况下，第一干扰信号β越大，第一阶段的安全速率越高；在第二阶段：在SNR、N相同的情况下，随着第二干扰信号功率的增大，第二阶段的安全速率也增大。同样的，不论是第一阶段还是第二阶段，只要第一阶段中的第一干扰信号的功率不为0，在其他参数相同的情况下，安全传输速率都随SNR的增大而增大并最终趋近于一个稳定值。

具体的，图14为N_t＝4，M＝4，K＝16，N＝4，β＝0.0,0.1,0.2,0.5，改变转发中继设备和干扰中继设备的传输的信号的功率，分别为：(1)P_r＝P_J＝0.5；(2)P_r＝0.6，P_J＝0.4(3)P_r＝0.7，P_J＝0.3，时的第一和第二阶段安全速率随SNR的变化关系图，从图14中可以看出，在第一阶段：在SNR、N_t和第一阶段调制阶数M相同的情况下，第一干扰信号β越大，第一阶段的安全速率越高；在第二阶段：在SNR、N相同的情况下，随着第二信号的功率为P_r的增大和第二干扰信号功率P_J的减小，第二阶段的安全速率也减小。同样的，不论是第一阶段还是第二阶段，只要第一阶段中的第一干扰信号的功率不为0，在其他参数相同的情况下，安全传输速率都随SNR的增大而增大并最终趋近于一个稳定值。

综合对图10至图14的第一阶段安全传输速率与第二阶段安全传输速率随SNR的变化关系的分析可知，增大信号发送设备的发射天线的数量N_t，和增大信号发送设备传输的信号的调制阶数M，则第一阶段所获得的安全速率和第二阶段获得的安全速率都会增大；增大转发中继设备的传输功率P_r，减小干扰中继设备的传输功率P_J，则第二阶段的安全速率会减小，反之，则增大。

本发明实施例提供的一种信号传输系统，其中的转发中继设备，可以接收所述信号发送设备发送的第一信号；根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；其中的干扰中继设备，可以在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID；其中的信号接收设备可以接收由所述转发中继设备发送的第二信号和所述干扰中继设备发送的第二干扰信号，根据所述预设的第二干扰信号携带的所述干扰中继设备的数字识别符ID从接收到的信号中去除所述第二干扰信号，获得所述第二信号。本发明提供的一种信号传输系统，由于信号接收设备可以根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，将干扰中继设备发送的预设的第二干扰信号去除，从而获得第二信号；而窃听设备中不存在干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从而也无法从窃听到的信号中去除第二干扰信号。因此，相比于现有的面向物理层安全技术，本发明可以降低信号接收设备解调第二信号的计算复杂度、简化了信号传输过程；同时保证了中继设备向信号接收设备传输第二信号的安全性。

对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种信号传输方法，其特征在于，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述方法包括如下步骤：

接收所述信号发送设备发送的第一信号；

当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备包括：

所述转发中继设备向基站发送向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号；以使所述基站根据所述第一请求信号和所述干扰中继设备向基站发送的向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号，确定发送时刻；

接收所述基站发送的所述发送时刻的信息，在所述发送时刻将所述第二信号发送至所述信号接收设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备包括：

所述干扰中继设备向基站发送向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号；以使所述基站根据所述第二请求信号和所述转发中继设备向所述基站发送的向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号，确定发送时刻；

接收所述基站发送的所述发送时刻的信息，在所述发送时刻将所述第二干扰信号发送至所述信号接收设备。

4.一种信号传输装置，其特征在于，应用于中继设备，所述中继设备分别与信号发送设备和信号接收设备无线连接，所述装置包括：第一信号接收模块、第二信号发送模块和第二干扰信号发送模块，

所述第一信号接收模块，用于接收所述信号发送设备发送的第一信号；

所述第二信号发送模块，用于当判断自身为转发中继设备时，根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

所述第二干扰信号发送模块，用于当判断自身为非转发中继设备时，判断自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值是否大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；如果是，将自身确定为干扰中继设备，并在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID，以使所述信号接收设备根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，在接收到的信号中去除所述第二干扰信号。

5.一种信号传输系统，其特征在于，所述系统包括：转发中继设备、干扰中继设备和信号接收设备，所述转发中继设备和所述干扰中继设备均与所述信号接收设备无线连接，

所述转发中继设备，用于接收信号发送设备发送的第一信号；根据所述第一信号生成第二信号，并在干扰中继设备发送预设的第二干扰信号的同时将所述第二信号发送至所述信号接收设备；

所述干扰中继设备，用于在所述转发中继设备发送所述第二信号的同时将预设的第二干扰信号发送至所述信号接收设备；所述预设的第二干扰信号携带有所述干扰中继设备的数字识别符ID；其中，所述干扰中继设备为非转发中继设备，且自身与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值大于其他非转发中继设备与所述信号接收设备之间的信道响应矩阵的行列式的值；

所述信号接收设备，用于接收由所述转发中继设备发送的第二信号和所述干扰中继设备发送的第二干扰信号，根据保存的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系，从接收到的信号中去除所述第二干扰信号，获得所述第二信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：基站，所述转发中继设备、所述干扰中继设备和所述信号接收设备均与所述基站连接，

所述基站，用于接收所述转发中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二信号的发送时刻的第一请求信号；接收所述干扰中继设备发送的向所述信号接收设备发送第二干扰信号的发送时刻的第二请求信号；根据所述第一请求信号和所述第二请求信号，确定发送时刻；将确定的所述发送时刻的信息发送至所述转发中继设备和所述干扰中继设备。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基站，还用于将干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系通知信号接收设备；

所述信号接收设备，还用于接收并保存所述基站发送的干扰中继设备的数字识别符ID与预设的第二干扰信号的对应关系。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：信号发送设备，

所述信号发送设备，用于获得待传输的第一信息序列；采用空间调制技术对所述第一信息序列进行调制，获得第一信号；确定自身与转发所述第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的零空间矩阵；根据所述零空间矩阵确定第一干扰信号；其中，所述第一干扰信号与所述信道响应矩阵的乘积为零；广播由所述第一信号和所述第一干扰信号组成的信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述信号发送设备，具体用于获得与所述零空间矩阵维度相同的向量，并将该向量作为第一干扰信号，所述第一干扰信号为：

其中，q_i＝α_iv_iz_i，i＝r_sr+1,r_sr+2,…,N_t；v_i为所述零空间矩阵的元素，z_i为系数，由服从独立同分布的随机高斯源产生，z_i服从正态分布，即 为第一干扰信号的功率；α_i为v_i的权重系数，且为随机数；N_t为自身的发送天线数目；r_sr为所述信号发送设备与转发所述第一信号的目的中继设备之间的信道响应矩阵的秩。