CN106211262B - 基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法，所述方法首先测量信道间的相关系数以及各链路的平均信噪比，然后再对不同中继节点和干扰节点的组合进行安全中断概率计算，最后选取具有最小安全中断概率的中继节点和干扰节点分别用于数据转发和干扰窃听端的信息。相比现有的方法，本发明更加适用实际信道环境，在安全协作通信领域中更具实用性和普遍性。

Description

基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法

技术领域

本发明涉及安全协作通信领域，具体涉及一种基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法。

背景技术

协作通信通过在网络中部署或引入附加节点，基于各种协作协议，为源节点到目的节点传输提供额外的分集支路，从而达到提高频谱效率、提升传输可靠性等目的。存在窃听节点的安全通信网中，节点协作具有更广泛更灵活的协作策略，如传输无效信息的干扰协作与噪声前传、传输有效信息的源节点信号中继等。

当前针对协作无线窃听信道安全通信的中继选择方法的研究已公开了一定的成果，然而已公开的方法都是建立在理想的信道环境下，即基于所有信道之间相互独立的环境。对于更贴近实际信道环境的包含多个干扰节点的安全协作系统，现有公开的方法尚存在不够理想之处。

发明内容

本发明提供一种基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法，该方法首先测量信道间的相关系数以及各链路的平均信噪比，然后再对不同中继节点和干扰节点的组合进行安全中断概率计算，最后选取具有最小安全中断概率的中继节点和干扰节点分别用于数据转发和干扰窃听端的信息。相比现有的方法，本发明更加适用实际信道环境，在安全协作通信领域中更具实用性和普遍性。

本发明技术方案简述如下：

一种基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法，所述方法包括：

(1)系统至少由一个源节点S、一个目的节点D、一个窃听节点E、一个干扰节点J_m以及含N个译码转发中继节点的中继节点集S_relay＝{R₁,R₂,…,R_N}组成，干扰节点J_m选自中继节点集S_relay并发送干扰信号。

(2)测量第n个中继节点R_n到目的节点D链路与从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到目的节点D链路之间的信道相关系数ρ₁，测量第n个中继节点R_n到窃听节点E链路与从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到窃听节点E链路之间的信道相关系数ρ₂，其中：表示第n个中继节点R_n到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示第n个中继节点R_n到窃听节点E链路的衰落信道功率增益；表示从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到窃听节点E链路的衰落信道功率增益。

(3)对能成功译码的中继节点进行由小到大编号，记为待选中继集Q＝{q₁,q₂,…,q_p}，其中1≤p≤N；以下分三步骤：

步骤1.当待选中继节点为第1个中继节点时，即q₁时，干扰节点可以是S_relay中剩余N-1个中继节点中的某个中继节点，对剩余N-1个中继节点按编号从小到大重新编排序号，并将这N-1个中继节点记为Γ＝{T₁,T₂,…T_N-1}；

步骤2.计算当待选中继节点为q₁，干扰节点分别为j₁＝T₁、…、j_N-1＝Γ_N-1时的安全中断概率，得到N-1个安全中断概率；所述安全中断概率数学式为：

其中：m∈{1,2,…,N-1}；P表示额定平均功率； 表示第p个待选中继节点到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示第p个待选中继节点到窃听节点E链路的衰落信道功率增益； 表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；是第一类零阶贝塞尔函数；Ω表示目标安全容量，且Ω>0；表示所选中继节点为q_p，干扰节点为j_m时的关于Ω的安全中断概率。

步骤3.分别令步骤1和2中的待选中继节点为q₂、…、q_p并重复步骤1和2，直到待选中继集Q中所有的待选中继节点都被选取并完成计算。

(4)选取具有最小安全中断概率的待选中继节点及对应干扰节点为所选中继节点及干扰节点。

具体实施方式

本发明的系统模型由一个源节点S、一个目的节点D、一个窃听节点E、一个干扰节点J_m以及含N个DF(Decode-and-Forward，译码转发)类型的中继节点集S_relay＝{R₁,R₂,…,R_N}组成，干扰节点J_m选自中继节点集S_relay并发送干扰信号。不失一般性，假设不存在直传链路S→D与链路S→E，发送端在发送信号前知道全部信道的状态信息(Channel StateInformation,CSI)。整个协作的过程主要分为两个阶段：一是广播阶段，源节点首先广播信号至中继节点，中继节点接收信号并译码；二是协作阶段，在能成功译码集合I中选择一个中继节点转发源信号到目的节点，同时从除已选中继节点外的其它中继节点中选出干扰节点J发送干扰信号，窃听节点和目的节点都会受到干扰。

模型中，假设中继节点到目的节点链路的合法信道与干扰节点到目的节点链路的信道相关，且中继节点到窃听节点链路的窃听信道与干扰节点到窃听节点链路的信道也相关。分别采用均值为零的循环对称复高斯随机变量 和分别表示链路S→R_n、R_n→D、R_n→E、J_m→D和J_m→E的信道系数。每个信道的噪声定义为相互独立的零均值，单位方差的加性高斯白噪声。模型中任意i→j链路的平均信噪比其中P表示额定平均发送功率，同时假设任意i→j链路的衰落信道功率增益h_ij＝|g_ij|²。

中继节点以及干扰节点的选择方法：

(1)首先测量各链路的平均信噪比R_n→D链路与J_m→D链路之间的信道相关系数和R_n→E链路与J_m→E链路之间的信道相关系数

(2)对能成功译码的中继节点进行由小到大编号，记为待选中继集Q＝{q₁,q₂,…,q_p}，其中1≤p≤N。分三个步骤：

步骤1.当待选中继节点为第1个中继节点时，即q₁时，干扰节点可以是S_relay中剩余N-1个中继节点中的某个中继节点，对剩余N-1个中继节点按编号从小到大重新编排序号，并将这N-1个中继节点记为Γ＝{T₁,T₂,…T_N-1}。

步骤2.计算当待选中继节点为q₁，干扰节点分别为j₁＝T₁、…、j_N-1＝Γ_N-1时的安全中断概率，得到N-1个安全中断概率。

步骤3.分别令步骤1和2中的待选中继节点为q₂、…、q_p并重复步骤1和2，直到待选中继集Q中所有的待选中继节点都被选取并完成计算。

其中步骤2中的安全中断概率表达式如下：

其中：m∈{1,2,…,N-1}；P表示额定平均功率； 表示第p个待选中继节点到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示第p个待选中继节点到窃听节点E链路的衰落信道功率增益； 表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；是第一类零阶贝塞尔函数；Ω表示目标安全容量，且Ω>0；表示所选中继节点为q_p，干扰节点为j_m时的关于Ω的安全中断概率。

(3)选取具有最小安全中断概率的待选中继节点及对应干扰节点为所选中继节点及干扰节点。

下面利用具体数据模拟演算，以便于更好地理解本发明及了解其效果。

安全协作系统中共有4个进行协作的中继节点，即S_relay＝{R₁,R₂,R₃,R₄}。能够成功译码的中继节点为R₁，R₂，此时对能成功译码的中继节点由小到大进行重新编号，并记为Q＝{q₁,q₂}：1)当待选中继节点为第一个中继节点q₁时，对S_relay中剩余三个中继节点按编号从小到大重新编排序号，并记Γ＝{T₁,T₂,T₃}；2)当待选中继节点为第二个中继节点q₂时，对剩余三个中继节点按编号从小到大重新编排序号，并记Γ＝{T₁,T₂,T₃}。

(1)假设安全协作系统中的目标安全容量Ω＝0.5，通过测量得到信道相关系数ρ₁＝0.8、ρ₂＝0.2，以及各链路平均测量信噪比p＝1,2，m＝1,2,3，如下：

1)当待选中继节点为中继节点q₁时：

2)当待选中继节点为中继节点q₂时：

(2)计算当待选中继节点为q₁、干扰节点分别为j₁＝T₁，j₂＝T₂，j₃＝T₃时的安全中断概率如下：

计算当待选中继节点为q₂、干扰节点分别为j₁＝T₁，j₂＝T₂，j₃＝T₃时的安全中断概率如下：

(3)选取具有最小安全中断概率的待选中继节点及对应干扰节点，由(2)所得，最小，并且由于所选中继节点q₁对应第1个中继节点，所选干扰节点j₁对应之前除所选中继节点q₁以外的最小中继节点，即第2个中继节点，因此第1个中继节点，第2个中继节点即为所选用来转发信息的中继节点和干扰窃听端信息的干扰节点。

Claims (1)

1.一种基于相关瑞利衰落信道的中继及干扰选择方法，所述方法包括：

(1)系统至少由一个源节点S、一个目的节点D、一个窃听节点E、一个干扰节点J_m以及含N个译码转发中继节点的中继节点集S_relay＝{R₁,R₂,…,R_N}组成，干扰节点J_m选自中继节点集S_relay并发送干扰信号；

(2)测量第n个中继节点R_n到目的节点D链路与从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到目的节点D链路之间的信道相关系数ρ₁，测量第n个中继节点R_n到窃听节点E链路与从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到窃听节点E链路之间的信道相关系数ρ₂，其中：表示第n个中继节点R_n到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示第n个中继节点R_n到窃听节点E链路的衰落信道功率增益；表示从除R_n外的其它中继节点中选出的干扰节点j_m到窃听节点E链路的衰落信道功率增益；

(3)对能成功译码的中继节点进行由小到大编号，记为待选中继集Q＝{q₁,q₂,…,q_p}，其中1≤p≤N；

步骤1.当待选中继节点为第1个中继节点时，即q₁时，干扰节点可以是S_relay中剩余N-1个中继节点中的某个中继节点，对剩余N-1个中继节点按编号从小到大重新编排序号，并将这N-1个中继节点记为Γ＝{T₁,T₂,…T_N-1}；

步骤2.计算当待选中继节点为q₁，干扰节点分别为j₁＝T₁、…、j_N-1＝Γ_N-1时的安全中断概率，得到N-1个安全中断概率；所述安全中断概率数学式为：

其中：m∈{1,2,…,N-1}；P表示额定平均功率； 表示第p个待选中继节点到目的节点D链路的衰落信道功率增益；表示第p个待选中继节点到窃听节点E链路的衰落信道功率增益； 表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；表示的数学期望；是第一类零阶贝塞尔函数；Ω表示目标安全容量，且Ω>0；表示所选中继节点为q_p，干扰节点为j_m时的关于Ω的安全中断概率；

步骤3.分别令步骤1和2中的待选中继节点为q₂、…、q_p并重复步骤1和2，直到待选中继集Q中所有的待选中继节点都被选取并完成计算；

(4)选取具有最小安全中断概率的待选中继节点及对应干扰节点为所选中继节点及干扰节点。