CN105933040A - 一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法，第一时隙，信源获取并依据来自中继的信道状态信息选择一根能使中继接收信噪比最大的天线广播保密信号，其他三个节点采用最大比合并接收信号；第二时隙，中继采用自适应解码转发协议，当中继能正确解码，中继获取并依据来自信宿的信道状态信息选择一根能使信宿接收信噪比最大的天线转发保密信号；当中继无法正确解码时，信源获取并依据来自信宿的信道状态信息选择一根能使信宿接收信噪比最大的天线重发第一时隙的保密信号，信宿和中继采用最大比合并接收信号，本发明利用发送天线选择技术来最大化中继或信宿的接收信噪比，降低窃听者的接收信噪比，实现复杂度较低，安全性较高。

Description

一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信及物理层安全领域，特别涉及一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法。

背景技术

近年来，随着高速无线网络的迅速普及和云计算的迅速发展，依赖复杂数学算法的传统加密技术在开放性更强的无线通信过程中可能面临窘境，无线传输的安全性面临巨大挑战。为了保障网络的安全传输，通过充分利用无线通信网络物理特性(如空间特性和时变特性)的物理层安全技术日益成为研究的热点。物理层安全技术早期的研究内容主要涉及信源、信宿和窃听者以及采用多天线传输的情况。比如，一种采用预编码的方案可以利用广义奇异值分解方法使多天线信源以接近最优的传输速率传输保密信号，该方案必须在信源已知窃听信道的瞬时信道状态信息的条件下才能实现。此外，当信源无法获知窃听者的瞬时信道状态信息时，当前有一种将人工噪声加入传输信号中以干扰窃听者的接收方案也得到广泛的研究，然而，这一方案中的信源可能受限于现实的物理条件，而难以采用多天线技术去传输信号，并不适合未来高速传输的要求。因此，尽管这些方案能获得较好的安全性能，但其系统设计复杂度高、实现难度大。

作为未来无线通信系统中的一种关键技术而备受关注的协同中继技术具有提升网络容量、发送功率利用率及信号覆盖率等优势。但是，协同中继系统由于节点数多，网络结构复杂，开放性强，因而其安全性问题也更加复杂。为了充分利用多天线技术所带来的性能优势及协同中继系统复杂的信道时变特性，可借助基于多天线的机会式传输技术提高系统的传输有效性和可靠性，同时降低窃听者所获得的信息量，提升系统传输的安全性能。机会式传输技术依据最大化安全传输速率准则选择一个最优的节点协助传输，其所需的信道状态信息大为减少，系统较为容易实现，且在多天线情况下可利用选择分集提升系统的安全性能。发送天线选择遵循相似的原理，从多根发送天线中选择一根能够最大化目标节点接收信噪比的天线发送保密信号，该天线对于目标节点是最佳的，而对窃听节点是随机选择的，可有效提高合法信道与窃听信道的接收信噪比之比，因而可以保障系统的安全传输。尽管已有人将发送天线选择技术运用在协同中继网络中，但其方案设计于不存在窃听者的情况或信源到信宿不存在直达路径的情况。

发明内容

针对多天线协同中继系统两跳传输中存在窃听者的系统安全问题，本发明提供了一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法，无需窃听信道的信道状态信息，通过信源中继联合进行发送天线选择，能够有效提高信宿的接收信噪比，并降低窃听者的接收信噪比，以保证系统的安全传输。

本发明一种信源中继联合发送天线选择安全传输方法，包括四个通信节点，分别是信源、信宿、中继和窃听者，所有通信节点都配置多根天线，并且该窃听者是被动的，即不会主动向其他节点发送信号，其他节点也无法获知窃听信道的信道状态信息，分两个时隙完成安全传输，第一时隙，信源获取来自中继的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线广播保密信号，其他三个节点采用最大比合并接收信号；第二时隙，中继采用自适应解码转发协议，当中继能够正确进行解码，中继获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线转发保密信号；当中继无法正确进行解码时，信源获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线重发第一时隙的保密信号，信宿和中继采用最大比合并接收信号。

其中，N_S、N_D、N_R和N_E分别代表信源、信宿、可信中继和窃听者的天线根数，具体包括如下步骤：

步骤1、第一时隙，信源获取中继反馈的信道状态信息，并依据该信道状态信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，信源任一天线到中继的信道系数为h_iR，h_iR为1×N_R向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

信源以天线i^*广播保密信号，中继、信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，接收的信号分别表示为：

$y_{SR}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{i^{*}R}^H{h}_{i^{*}R}}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}x+\frac{h_{i^{*}R}^H}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}{n}_{iR}$

$y_{SD}=\sqrt{P}\frac{h_{iD}^H{h}_{iD}}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}x+\frac{h_{iD}^H}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}{n}_{iD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{iE}^H{h}_{iE}}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}x+\frac{h_{iE}^H}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}{n}_{iE}$

其中，P表示信源的发送功率，上标“H”表示对矩阵求共轭转置，需要注意的是中继、信宿和窃听者所接收信号都来自信源的同一根天线，此处“*”用以区分信源到中继是采用发送天线选择策略，下同，h_iD为1×N_D向量，h_iE为1×N_E向量，h_iD和h_iE表示信源任一天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_SD和d_SE分别是信源到信宿和信源到窃听者的欧几里得距离；x表示保密信号，n_iR、n_iD和n_iE分别表示中继、信宿和窃听者接收到的阶数为N_R×1、N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和E[·]表示求均值，I_N表示N阶单位向量，噪声方差依次为和

步骤2、中继采用自适应解码转发协议，当中继的接收互信息大于等于一个给定阈值R_th时，认为中继能够正确解码转发信源信息；

步骤3、第二时隙，当中继能够正确解码转发时，中继获取来自信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该发送天线记为其中，中继任一天线到信宿的信道系数为g_jD，g_jD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_RD为中继到信宿的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

中继以天线j^*转发保密信号，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，并分别表示为：

$y_{RD}^{*}=\sqrt{P}\frac{g_{j^{*}D}^H{g}_{j^{*}D}}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}x+\frac{g_{j^{*}D}^H}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}{n}_{jD}$

$y_{RE}=\sqrt{P}\frac{g_{jE}^H{g}_{jE}}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}x+\frac{g_{jE}^H}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}{n}_{jE}$

其中，g_jE为1×N_E向量，和g_jE分别为中继用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_RD和d_RE分别是中继到信宿和中继到窃听者的欧几里得距离，“*”的含义同上，x表示保密信号，n_jD和n_jE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

步骤4、当中继无法对来自信源的保密信号进行正确解码时，信源获取信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，信源任一天线到信宿的信道系数为h_kD，h_kD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离；

信源以天线k^*重复发送第一时隙的保密信号，此时信宿和窃听者采用最大比合并这一时隙的接收信号，并分别表示为

$y_{SD}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{k^{*}D}^H{h}_{k^{*}D}}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}x+\frac{h_{k^{*}D}^H}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}{n}_{kD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{kE}^H{h}_{kE}}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}x+\frac{h_{kE}^H}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}{n}_{kE}$

其中，h_kE为1×N_E向量，和h_kE分别为信源用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和“*”的含义同上，x表示保密信号，n_kD和n_kE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

增加如下步骤，用以揭示系统安全性能或进行系统设计：

步骤5、信宿和窃听者的接收信噪比分别表示为

${\mathrm{\&gamma;}}_D=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|h_{k^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|g_{j^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

${\mathrm{\&gamma;}}_E=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|h_{kE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|g_{jE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

其中，表示中继的接收信噪比；

步骤6、计算系统的安全容量对安全容量C_S求均值可得平均安全速率设定一个阈值R_S，并计算概率Pr(C_S＜R_S)，即为安全中断概率P_out(R_S)；对和Pr(C_S＜R_S)进行蒙特卡洛仿真，可揭示系统安全性能或进行系统设计。

在协同中继网络中，中继采用解码转发协议可依据中继是否需要正确解码信源信息将其分为自适应解码转发协议和固定解码转发协议。本发明将自适应解码转发协议应用于多天线协同中继系统中，并利用发送天线选择技术来最大化中继或信宿的接收信噪比，降低窃听者的接收信噪比，以保障系统的安全传输。同时，本发明所采用发送天线选择技术中，接收节点反馈给发送节点的信道状态信息仅包含发送节点所需的发送天线序号，该做法可以有效降低系统实现复杂度，并获得较高的安全性能。另外，本发明设计于各个信道存在大尺度衰落的情况，该情况符合实际信道条件，同时采用蒙特卡洛仿真较为真实地验证实际传输的性能表现，并验证了该方案所采用的传输策略在传输性能和安全性能两方面可以获得较好的表现。

附图说明

图1是本发明工作原理图及仿真时的坐标位置标注；

图2是本发明安全传输过程及具体实施的流程图；

图3是比较本发明所得平均安全速率在不同的信源、中继、信宿和窃听者的天线数(N_S、N_R、N_D和N_E)下随信源和中继发送功率P变化的情况；

图4是比较本发明所得安全中断概率在不同的信源、中继、信宿和窃听者的天线数(N_S、N_R、N_D和N_E)下随信宿每一天线的平均信噪比的变化的情况；

图5是本发明和不存在协同中继方案的平均安全速率的对比；

图6是本发明和不存在协同中继方案的安全中断概率的对比。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种信源中继联合发送天线选择安全传输方法，实施例的通信系统结构包括四个节点，分别是信源、信宿、中继和窃听者，所有节点都配置多根天线，即依次配置N_S、N_D、N_R和N_E根天线，并且该窃听者是被动的，即不会主动向其他节点发送信号，其他节点也无法获知窃听信道的信道状态信息，系统中各个信道都采用准静态的瑞利衰落信道；大致分为两个时隙完成安全传输，第一时隙，信源获取来自中继的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线广播保密信号，其他三个节点采用最大比合并接收信号；第二时隙，中继采用自适应解码转发协议，当中继能够正确进行解码，中继获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线转发保密信号；当中继无法正确进行解码时，信源获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线重发第一时隙的保密信号，信宿和中继采用最大比合并接收信号，具体步骤如下：

步骤1、第一时隙，信源获取中继反馈的信道状态信息，并依据该信道状态信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，N_S和N_R分别为信源和中继的天线数，信源任一天线到中继的信道系数为h_iR，h_iR为1×N_R向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

信源以天线i^*广播保密信号，中继、信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，接收的信号分别表示为：

$y_{SR}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{i^{*}R}^H{h}_{i^{*}R}}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}x+\frac{h_{i^{*}R}^H}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}{n}_{iR}$

$y_{SD}=\sqrt{P}\frac{h_{iD}^H{h}_{iD}}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}x+\frac{h_{iD}^H}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}{n}_{iD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{iE}^H{h}_{iE}}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}x+\frac{h_{iE}^H}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}{n}_{iE}$

其中，P表示信源的发送功率，上标“H”表示对矩阵求共轭转置，需要注意的是中继、信宿和窃听者所接收信号都来自信源的同一根天线，此处“*”用以区分信源到中继是采用发送天线选择策略，下同，h_iD为1×N_D向量，h_iE为1×N_E向量，h_iD和h_iE表示信源任一天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_SD和d_SE分别是信源到信宿和信源到窃听者的欧几里得距离；x表示保密信号，n_iR、n_iD和n_iE分别表示中继、信宿和窃听者接收到的阶数为N_R×1、N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和E[·]表示求均值，I_N表示N阶单位向量，噪声方差依次为和

步骤2、中继采用自适应解码转发协议，当中继的接收互信息大于等于一个给定阈值R_th时，认为中继能够正确解码转发信源信息；

步骤3、第二时隙，当中继能够正确解码转发时，中继获取来自信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该发送天线记为其中，中继任一天线到信宿的信道系数为g_jD，g_jD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_RD为中继到信宿的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

中继以天线j^*转发保密信号，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，并分别表示为：

$y_{RD}^{*}=\sqrt{P}\frac{g_{j^{*}D}^H{g}_{j^{*}D}}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}x+\frac{g_{j^{*}D}^H}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}{n}_{jD}$

$y_{RE}=\sqrt{P}\frac{g_{jE}^H{g}_{jE}}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}x+\frac{g_{jE}^H}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}{n}_{jE}$

其中，g_jE为1×N_E向量，和g_jE分别为中继用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_RD和d_RE分别是中继到信宿和中继到窃听者的欧几里得距离，“*”的含义同上，x表示保密信号，n_jD和n_jE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

步骤4、当中继无法对来自信源的保密信号进行正确解码时，信源获取信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，信源任一天线到信宿的信道系数为h_kD，h_kD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离；

信源以天线k^*重复发送第一时隙的保密信号，此时信宿和窃听者采用最大比合并这一时隙的接收信号，并分别表示为

$y_{SD}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{k^{*}D}^H{h}_{k^{*}D}}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}x+\frac{h_{k^{*}D}^H}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}{n}_{kD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{kE}^H{h}_{kE}}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}x+\frac{h_{kE}^H}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}{n}_{kE}$

其中，h_kE为1×N_E向量，和h_kE分别为信源用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和“*”的含义同上，x表示保密信号，n_kD和n_kE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

步骤5、信宿和窃听者的接收信噪比分别表示为

${\mathrm{\&gamma;}}_D=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|h_{k^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|g_{j^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

${\mathrm{\&gamma;}}_E=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|h_{kE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|g_{jE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

其中，表示中继的接收信噪比；

步骤6、计算系统的安全容量对安全容量C_S求均值可得平均安全速率设定一个阈值R_S，并计算概率Pr(C_S＜R_S)，即为安全中断概率P_out(R_S)；对和Pr(C_S＜R_S)进行蒙特卡洛仿真，可揭示系统安全性能或进行系统设计。

本发明中的安全传输过程为单向传输，主要由两个时隙完成：第一时隙，信源获取来自中继的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线广播保密信号，其他三个节点采用最大比合并接收信号；第二时隙，中继采用自适应解码转发协议，当中继能够正确进行解码，中继获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线转发保密信号；当中继无法正确进行解码时，信源获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线重发第一时隙的保密信号，信宿和中继采用最大比合并接收信号，本发明将自适应解码转发协议应用于多天线协同中继系统中，并利用发送天线选择技术来最大化中继或信宿的接收信噪比，降低窃听者的接收信噪比，以保障系统的安全传输，同时，本发明所采用发送天线选择技术中，接收节点反馈给发送节点的信道状态信息仅包含发送节点所需的发送天线序号，该做法可以有效降低系统实现复杂度，并获得较高的安全性能。本发明无需窃听信道的信道状态信息，实现复杂度较低，在两个传输时隙中，信源和中继的发送天线对窃听者而言都是随机选择，依据安全传输理论，这将使得信宿的接收信噪比大于窃听者的接收信噪比，从而保障信息的安全传输。对系统性能的仿真分析表明，在多天线条件下，提高信源、中继和信宿的天线数，可以进一步提高系统安全性能。

图3给出了所得平均安全速率的在不同的信源、中继、信宿和窃听者的天线数(N_S、N_R、N_D和N_E)下随发送功率P的变化的情况，图3中的仿真环境为：各个信道为瑞利衰落信道，中继的坐标服从均匀分布，横坐标和纵坐标的范围为0～10，所有节点的噪声方差皆设为1，路径损耗指数n＝4，中继解码阈值R_th＝0.1(bps/Hz)，蒙特卡洛仿真次数为10⁶，图3-1中的天线数为N_R＝4，N_D＝N_E＝2，图3-2中的天线数为N_S＝4，N_D＝N_E＝2，图3-3中的天线数为N_S＝N_R＝4，N_E＝1，图3-4中的天线数为N_S＝N_R＝4，N_D＝2。仿真表明本发明的方案能够得到较好的安全传输性能，并且随着信源、中继和信宿的天线数(N_S、N_R和N_D)的增大，平均安全速率也增大，说明系统的安全性能也更强。另外，平均安全速率随着窃听者的天线数(N_E)的增大而减小，这说明当面对天线数较少的窃听者时，系统的安全性能更强。

图4给出了所得安全中断概率在不同的信源、中继和信宿的天线数(N_S、N_R和N_D)下随发送功率P的变化的情况，其中，图4中仿真环境：各个信道为瑞利衰落信道，中继的坐标服从均匀分布，横坐标和纵坐标的范围为0～10，所有节点的噪声方差皆设为1，路径损耗指数n＝3，中继解码阈值R_th＝0.1(bps/Hz)，系统发生中断的阈值R_S＝0.5(bps/Hz)，蒙特卡洛仿真次数为10⁶，图4-1中的天线数为N_R＝4，N_D＝N_E＝2，图4-2的天线数为N_S＝4，N_D＝N_E＝2，图4-3的天线数为N_S＝N_R＝4，N_E＝1，图4-4的天线数为N_S＝N_R＝4，N_D＝2。仿真表明本发明的方案能够得到较好的安全传输性能，同时，增大信源、中继和信宿的天线数(N_S、N_R和N_D)，能够降低安全中断概率，说明通过增加这些节点的天线数能够有效改善系统的安全性能。另外，安全中断概率随着窃听者的天线数(N_E)的增大而增大，这说明当窃听者天线数数较少时，系统的安全性能更强。

图5和图6分别给出了本发明方案所提的发送天线选择/最大比合并(TAS/MRC)、发送天线选择/选择合并(TAS/SC)和不存在协同中继的TAS/MRC的方案的平均安全速率和安全中断概率的对比，图5中的仿真环境：各个信道为瑞利衰落信道，中继的坐标服从均匀分布，横坐标和纵坐标的范围皆为0～10，所有节点的噪声方差皆设为1，路径损耗指数n＝4，中继解码阈值R_th＝0.1(bps/Hz)，蒙特卡洛仿真次数为10⁶，天线数为N_S＝N_R＝3，N_D＝N_E＝3。图6中的仿真环境：各个信道为瑞利衰落信道，中继的坐标服从均匀分布，横坐标和纵坐标的范围皆为0～10，所有节点的噪声方差皆设为1，路径损耗指数n＝4，中继解码阈值R_th＝0.1(bps/Hz)，系统发生中断的阈值R_S＝0.5(bps/Hz)，蒙特卡洛仿真次数为10⁶，天线数为N_S＝N_R＝4，N_D＝N_E＝2。从图5和图6中可以看出，本发明相比其他方案有更好的平均安全速率和更低的安全中断概率，因而安全性能也更强，特别是实际情况中信源与信宿信道条件较差的情况下，通过本发明方案，可以取得更好的安全性能。

以上所述，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法，其特征在于：包括四个通信节点，分别是信源、信宿、中继和窃听者，所有通信节点都配置多根天线，并且该窃听者是被动的，即不会主动向其他节点发送信号，其他节点也无法获知窃听信道的信道状态信息，分两个时隙完成安全传输，第一时隙，信源获取来自中继的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线广播保密信号，其他三个节点采用最大比合并接收信号；第二时隙，中继采用自适应解码转发协议，当中继能够正确进行解码，中继获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线转发保密信号；当中继无法正确进行解码时，信源获取来自信宿的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线重发第一时隙的保密信号，信宿和中继采用最大比合并接收信号。

2.根据权利要求1所述的一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法，其特征在于：N_S、N_D、N_R和N_E分别代表信源、信宿、可信中继和窃听者的天线根数，具体包括如下步骤：

步骤1、第一时隙，信源获取中继反馈的信道状态信息，并依据该信道状态信息选择一根能够使中继接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，信源任一天线到中继的信道系数为h_iR，h_iR为1×N_R向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

信源以天线i^*广播保密信号，中继、信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，接收的信号分别表示为：

$y_{SR}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{i^{*}R}^H{h}_{i^{*}R}}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}x+\frac{h_{i^{*}R}^H}{\left|\right|h_{i^{*}R}\left|\right|}{n}_{iR}$

$y_{SD}=\sqrt{P}\frac{h_{iD}^H{h}_{iD}}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}x+\frac{h_{iD}^H}{\left|\right|h_{iD}\left|\right|}{n}_{iD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{iE}^H{h}_{iE}}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}x+\frac{h_{iE}^H}{\left|\right|h_{iE}\left|\right|}{n}_{iE}$

其中，P表示信源的发送功率，上标H表示对矩阵求共轭转置，需要注意的是中继、信宿和窃听者所接收信号都来自信源的同一根天线，此处“*”用以区分信源到中继是采用发送天线选择策略，下同，h_iD为1×N_D向量，h_iE为1×N_E向量，h_iD和h_iE表示信源任一天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_SD和d_SE分别是信源到信宿和信源到窃听者的欧几里得距离；x表示保密信号，n_iR、n_iD和n_iE分别表示中继、信宿和窃听者接收到的阶数为N_R×1、N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和E[·]表示求均值，I_N表示N阶单位向量，噪声方差依次为和

步骤2、中继采用自适应解码转发协议，当中继的接收互信息大于等于一个给定阈值R_th时，认为中继能够正确解码转发信源信息；

步骤3、第二时隙，当中继能够正确解码转发时，中继获取来自信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该发送天线记为其中，中继任一天线到信宿的信道系数为g_jD，g_jD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_RD为中继到信宿的欧几里得距离，n为路径损耗指数，||·||表示对向量求2-范数；

中继以天线j^*转发保密信号，信宿和窃听者采用最大比合并接收信号，并分别表示为：

$y_{RD}^{*}=\sqrt{P}\frac{g_{j^{*}D}^H{g}_{j^{*}D}}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}x+\frac{g_{j^{*}D}^H}{\left|\right|g_{j^{*}D}\left|\right|}{n}_{jD}$

$y_{RE}=\sqrt{P}\frac{g_{jE}^H{g}_{jE}}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}x+\frac{g_{jE}^H}{\left|\right|g_{jE}\left|\right|}{n}_{jE}$

其中，g_jE为1×N_E向量，g_j*D和g_jE分别为中继用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和d_RD和d_RE分别是中继到信宿和中继到窃听者的欧几里得距离，“*”的含义同上，x表示保密信号，n_jD和n_jE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

步骤4、当中继无法对来自信源的保密信号进行正确解码时，信源获取信宿反馈的信道状态信息，并依据该信息选择一根能够使信宿接收信噪比最大的天线，并将该天线记为其中，信源任一天线到信宿的信道系数为h_kD，h_kD为1×N_D向量且满足每一子信道的信道功率增益d_SR为信源到中继的欧几里得距离；

信源以天线k^*重复发送第一时隙的保密信号，此时信宿和窃听者采用最大比合并这一时隙的接收信号，并分别表示为：

$y_{SD}^{*}=\sqrt{P}\frac{h_{k^{*}D}^H{h}_{k^{*}D}}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}x+\frac{h_{k^{*}D}^H}{\left|\right|h_{k^{*}D}\left|\right|}{n}_{kD}$

$y_{SE}=\sqrt{P}\frac{h_{kE}^H{h}_{kE}}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}x+\frac{h_{kE}^H}{\left|\right|h_{kE}\left|\right|}{n}_{kE}$

其中，h_kE为1×N_E向量，h_k*D和h_kE分别为信源用于发送的天线到信宿和窃听者的信道系数且分别满足每一子信道的信道功率增益和“*”的含义同上，x表示保密信号，n_kD和n_kE分别表示信宿和窃听者接收到的阶数为N_D×1和N_E×1的加性高斯白噪声向量，且噪声均值依次为和噪声方差依次为和

3.根据权利要求2所述的一种信源中继联合发送天线选择的安全传输方法，其特征在于增加如下步骤，用以揭示系统安全性能或进行系统设计：

步骤5、信宿和窃听者的接收信噪比分别表示为

${\mathrm{\&gamma;}}_D=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|h_{k^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iD}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iD}^2}+\frac{P\left|\right|g_{j^{*}D}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jD}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

${\mathrm{\&gamma;}}_E=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|h_{kE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{kE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R<2^{2R_{th}}\\ \frac{P\left|\right|h_{iE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{iE}^2}+\frac{P\left|\right|g_{jE}|{|}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_{jE}^2},& {\mathrm{\&gamma;}}_R\&GreaterEqual;2^{2R_{th}}\end{array}\right.$

其中，表示中继的接收信噪比；

步骤6、计算系统的安全容量对安全容量C_S求均值可得平均安全速率设定一个阈值R_S，并计算概率Pr(C_S＜R_S)，即为安全中断概率P_out(R_S)；对和Pr(C_S＜R_S)进行蒙特卡洛仿真，可揭示系统安全性能或进行系统设计。