CN106533496B - 一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法，包括以下步骤：构建四节点无线中继网络全双工通信模型，根据四节点无线中继网络全双工通信模型计算不可靠中继节点的接收信号表达式及目的节点的接收信号表达式，然后构建不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p，使目的节点处的干扰能够被消除，再根据不可靠中继节点的接收信号表达式、目的节点的接收信号表达式以及不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p进行数据的传输，完成基于干扰协作的不可靠中继全双工通信，该方法能够实现全双工下不可靠中继节点的数据安全传输。

Description

一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法
技术领域
本发明属于无线中继网络安全通信技术领域，涉及一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法。
背景技术
安全性一直都是通信所关注的焦点。近年来，随着无线技术的不断发展，无线通信给人们带来了更好的用户体验，比如更高的数据速率、更稳定的通话质量。同时，由于无线通信与我们的生活日益密切，人们对安全性提出了越来越高的要求，传统的安全主要还是依靠从有线通信网继承来的密钥加密协议机制，它基于三个假设，一是信息在物理层无差错的传输，二是仅有合法的发送者与接收者知道密钥，窃听者只能通过接收到的信号破译出密钥后才有可能解密信息，三是窃听者现有的计算能力很难破译出密钥。但是，无线通信，由于其开放性和广播等特性，极易受到干扰和窃听的威胁。物理层安全，从信息论角度出发，充分利用无线信道的特征和无线信号的基本格式，从而实现安全通信。物理层安全的优点是，即便窃听者具备无限的计算能力，其仍旧无法获得正确信息。物理层安全也因此获得了大量的研究。物理层安全技术旨在提升无线通信的内在安全性，防止窃听，可作为在无线通信的安全框架上对传统加密体制的必要补充，增强无线通信的安全性。
无线中继网络是无线通信中比较常见的通信模型之一，一般包含一个源节点、一个目的节点、一个或多个中继节点。在实际中，由于没有直连链路或者由于阴影、遮挡和覆盖面积等因素的影响导致直连链路的信道特性很差，这时就需要一个中继来协助信息的传输。但是在无线中继网络中，中继有可能是不可靠的，即它在帮助信息传输的同时有可能窃听信息，这在实际中也是很常见的，比如我们租赁第三方的设备(卫星)进行辅助通信，因此，不可靠中继通信的安全问题引起了人们的广泛研究。
无线中继网络常采用的中继转发协议主要有：放大-转发协议和译码-转发协议。译码-转发协议是先从中继接收信号中译出有用信号，然后转发给目的接收者。当中继译码出现错误时，译码-转发方式将会引起中继链路的中断，并且当数据分组较长时，中继的译码延时将会导致系统效率的下降。而放大-转发协议仅仅放大接收到的信号，因此处理延时和复杂度都很小。此外，当中继不可靠时，译码-转发协议不能被采用。
全双工通信，作为通信方式的一种，是指在通信的任意时刻，通信的双方可以同时发送和接收数据，因此，它具有实时性好，效率高等优点，也比较符合实际的需求。
Jun Xiong等人在文献(J.Xiong,L.Cheng,D.Ma and J.Wei,"Destination-AidedCooperative Jamming for Dual-Hop Amplify-and-Forward MIMO Untrusted RelaySystems,"in IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.65,no.9,pp.7274-7284,Sept.2016)中考虑一种两跳MIMO(多输入多输出)无线中继网络模型，假设中继是不可靠的并工作在半双工模式，进而提出了基于目的干扰协作的安全传输方案。文献(Q.Shi,M.Hong,X.Gao,E.Song,Y.Cai and W.Xu,"Joint Source-Relay Design for Full-DuplexMIMO AF Relay Systems,"in IEEE Transactions on Signal Processing,vol.64,no.23,pp.6118-6131,Dec.1,2016)对无线中继全双工通信网络进行了讨论，通过最大化系统和速率来求解最优的源波束赋形矢量和中继发送预编码矩阵，而针对全双工下的不可靠中继安全通信问题目前尚无讨论和研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法，该方法能够实现全双工下不可靠中继节点的数据安全传输。
为达到上述目的，本发明所述的基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法包括以下步骤：
构建四节点无线中继网络全双工通信模型，根据四节点无线中继网络全双工通信模型计算不可靠中继节点的接收信号表达式及目的节点的接收信号表达式，然后构建不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p，使目的节点处的干扰能够被消除，再根据不可靠中继节点的接收信号表达式、目的节点的接收信号表达式以及不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p进行数据的传输，完成基于干扰协作的不可靠中继全双工通信。
设数据按帧进行传输，帧长为F，每个帧内信道信息不发生变化，而各帧之间的信道独立变化，则在数据传输过程中，源节点S广播待发送信息s，同时干扰源J发送人工噪声z，则在时隙n时刻不可靠中继节点R接收到的信号yR(n)为：
其中，Ps、Pr及Pj分别为源节点、不可靠中继节点及干扰源的发射功率；fij为从节点i到节点j的信道，为加性高斯白噪声矢量，xR(n)为不可靠中继节点R在时隙n时刻发送的信号矢量，设不可靠中继节点的处理时延为一个时隙，则xR(n)为：
xR(n)＝QyR(n-1) (2)
由式(1)及式(2)得为：
目的节点D接收到的信号yD(n)为：
其中，β为功率归一化因子，为加性高斯白噪声。
不可靠中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p的构建过程为：
由式(4)得
设rank(Q)＝1，Q的秩为1，则将代入式(5)中，得：
其中，null(A)为A的零空间，再根据式(6)得中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法在具体操作时，通过构建不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p，消除目的节点处的干扰，从而使人工干扰对目的节点没有任何影响，经仿真，通过干扰协作，不可靠中继节点处的性能得以恶化，然而目的节点不受影响，在具体操作时，可以通过适当调整干扰功率，使不可靠中继节点处的误码性能控制在一定范围内，从而使系统达到安全性要求。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中不可靠中继节点和目的节点在不同干扰下的BER曲线图；
图3为所需干扰功率与中继处BER的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法包括以下步骤：
构建四节点无线中继网络全双工通信模型，根据四节点无线中继网络全双工通信模型计算不可靠中继节点的接收信号表达式及目的节点的接收信号表达式，然后构建不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p，使目的节点处的干扰能够被消除，再根据不可靠中继节点的接收信号表达式、目的节点的接收信号表达式以及不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p进行数据的传输，完成基于干扰协作的不可靠中继全双工通信。
设数据按帧进行传输，帧长为F，每个帧内信道信息不发生变化，而各帧之间的信道独立变化，则在数据传输过程中，源节点S广播待发送信息s，同时干扰源J发送人工噪声z，则在时隙n时刻不可靠中继节点R接收到的信号yR(n)为：
其中，Ps、Pr及Pj分别为源节点、不可靠中继节点及干扰源的发射功率；fij为从节点i到节点j的信道，为加性高斯白噪声矢量，xR(n)为不可靠中继节点R在时隙n时刻发送的信号矢量，设不可靠中继节点的处理时延为一个时隙，则xR(n)为：
xR(n)＝QyR(n-1) (2)
由式(1)及式(2)得为：
目的节点D接收到的信号yD(n)为：
其中，β为功率归一化因子，为加性高斯白噪声。
不可靠中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p的构建过程为：
由式(4)得
设rank(Q)＝1，Q的秩为1，则将代入式(5)中，得：
其中，null(A)为A的零空间，再根据式(6)得中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p。
根据中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p得中继节点处的接收信号yR(n)及目的节点处的接收信号yD(n)分别为：
很显然，除了有用信号，中继节点处还包含符号间干扰、人工干扰及噪声；而目的节点处就只有噪声，此外，为了保证中继节点不能消除符号间干扰，在第一个时隙源节点发送一个不承载有用信号的干扰，通过以上设计，不可靠中继节点处的性能得到恶化而目的节点的性能基本不受影响。
根据式(7)得中继节点处的信干噪比SINRR为：
设Ps＝Pr，并且则当信噪比SINRR趋于无穷大时，式(9)转换为：
可见，随着信噪比的增大，不可靠中继节点处的性能会趋于一个定值。
同理，目的节点处的SNRD为：
由式(2)得，SNRD是SNR的增函数，即随着信噪比的增加，目的节点处的性能越来越好。
此外，由于人工干扰对目的节点没有任何影响，可以根据系统对安全性的要求，适当调整干扰功率使得中继处的误码率控制在一定范围。
仿真实验
为了验证本发明的性能，我们进行如下仿真：
仿真条件：天线Nt＝Nr＝Nj＝2，帧长F＝100，所有信道的统计参数都相同，服从零均值单位方差的复高斯分布，噪声功率发送端采用QPSK调制，接收端均采用最大似然译码，然后通过式(6)求得中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p。
仿真结果：图2给出了不同功率干扰下，不可靠中继节点和目的节点处误比特率随信噪比变化的曲线。从图2中可以看出，目的节点处的性能不受干扰功率的影响；而对于不可靠中继节点，在干扰功率固定的情况下，随着信噪比增大不可靠中继节点处的BER会达到一个下界，通过增大干扰功率，不可靠中继节点处的性能会进一步恶化。图3给出了不同安全限制下，所需干扰发射功率的关系曲线，不同的安全限制对应不同的不可靠中继节点处的解码能力，系统安全性要求越高，不可靠中继节点能达到的BER越大，由图3可得，干扰功率与所要求BER呈现单调递增，即要想获得更高的安全性，就要付出更大的代价。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建四节点无线中继网络全双工通信模型，根据四节点无线中继网络全双工通信模型计算不可靠中继节点的接收信号表达式及目的节点的接收信号表达式，然后构建不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p，使目的节点处的干扰能够被消除，再根据不可靠中继节点的接收信号表达式、目的节点的接收信号表达式以及不可靠中继节点发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p进行数据的传输，完成基于干扰协作的不可靠中继全双工通信；
设数据按帧进行传输，帧长为F，每个帧内信道信息不发生变化，而各帧之间的信道独立变化，则在数据传输过程中，源节点S广播待发送信息s，同时干扰源J发送人工噪声z，则在时隙n时刻不可靠中继节点R接收到的信号yR(n)为：
其中，Hrr表示全双工中继的自干扰信道矩阵，Hjr表示干扰源节点到不可靠中继节点之间的信道矩阵，hsr表示源节点到不可靠中继节点的信道矩阵，s(n)表示第n个时隙源节点发送的信息符号，p表示干扰源节点的干扰预处理矢量，z(n)表示第n个时隙干扰源节点发送的随机干扰信号，Ps、Pr及Pj分别为源节点、不可靠中继节点及干扰源的发射功率；fij为从节点i到节点j的信道，Nt表示不可靠中继用来发送的天线个数，Nr表示不可靠中继用来接收端天线个数，Nj表示干扰源节点的发射天线数，为加性高斯白噪声矢量，xR(n)为不可靠中继节点R在时隙n时刻发送的信号矢量，设不可靠中继节点的处理时延为一个时隙，则xR(n)为：
xR(n)＝QyR(n-1) (2)，
由式(1)及式(2)得为：
目的节点D接收到的信号yD(n)为：
其中，hrd表示不可靠中继节点到目的节点的信道矢量，hjd表示干扰源节点到目的节点的信道，z表示干扰源节点发送的随机干扰信号，p表示干扰源节点的干扰预处理矢量，β为功率归一化因子， 为加性高斯白噪声；
不可靠中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p的构建过程为：
由式(4)得
设rank(Q)＝1，Q的秩为1，则将代入式(5)中，得：
其中，null(A)为A的零空间，再根据式(6)得中继节点R发送的矩阵Q及干扰预处理矢量p。
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