CN106788661B - 一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法，该方法在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的系统中应用；方法先通过信源向中继传输信息，中继通过选择一根能够最大化信宿接收信噪比的天线进行传输，并利用剩余天线进行最大比合并接收信源信息，在该过程中，假定中继能够获知信宿和窃听者的信道状态信息，并利用该信息评估系统的平均安全速率，在放大转发协议和解码转发协议两个协议中选择最佳的中继协议进行传输。本发明以系统安全速率为比较条件，自主切换两种主要协议，可以自适应地根据场景选择最佳中继协议以提高系统的评价安全速率和性能。

Description

一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法

技术领域

本发明专利涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法。

背景技术

随着无线通信的高速发展，下一代无线通信技术5G将带来更高的网络传输速度。在未来，无线通信带来的高速网络也将极大地促进云计算的发展，更多的计算机设备通过高速网络进行连接并处理更多复杂的问题。然而，传统加密的密码学方法的通信传输方式也因此面临巨大危险，高速网络带来的高速计算将轻易地破解传统的密匙加密方法，因此，对更加安全的传输方式的研究已成为众多学者关注的焦点。物理层利用无线信道的空时特性，其比传统密码学应用领域更加底层，也更安全，直接从的物理层进行保密传输，可以有效提高信息传输的安全性。

全双工技术和协同中继网络技术作为未来无线通信的关键技术而得到研究者的广泛关注。研究表明，全双工网络相比半双工网络能够更有效地提高网络的传输速度。而在将来的通信中，设备对设备(D2D)的网络将得到更为广泛的应用，设备之间通过组网构建协同中继网络也将得到广泛的应用，协同中继网络中应用全双工技术，将使网络的传输速度得到成倍提高。协同中继网络技术在物理层安全中的研究已取得不少成果，主要有利用协作干扰技术和机会式传输技术等。总之，结合全双工技术和协同中继网络技术在无线通信安全传输的应用将得到广泛的研究。

为此，本发明人深入研究无线通信和物理层安全技术，提出了一种可在高速网络中有效提高信息安全的全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法。

发明内容

本发明的技术目的在于提出一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法，利用全双工中继可以有效提高系统的传输速率的特点以及结合发送天线选择技术的使用有效地改善了系统的安全性能，而且，以系统安全速率为比较条件，自主切换两种主要协议，可以自适应地根据场景选择最佳中继协议以提高系统的评价安全速率和性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方法如下：

一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法，该方法在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的系统中应用，且系统信息传输在一个时隙内完成，其中中继配置了N根天线和，其余节点均配置单天线，中继至信宿的信道向量记为方法包括以下步骤：

步骤1，中继向信宿发送导频信息至信宿，信宿估计出中继至信宿的信道状态信息h₂后，将此信道状态信息反馈至中继，中继根据此信道状态信息将N根天线区分成两组，一组为一根最优的发送天线，该天线能够使得中继至信宿的信道增益最大化，即另一组为其余N-1根接收天线；

然后信源再向中继广播保密信息，同时中继利用N-1根接收天线接收信息，并采用最大比合并信源信息，中继的接收信号表示为：

其中，P_S和P_R分别为信源和中继的信号发送功率，h₁为信源到中继的N-1根接收天线的信道向量，为采用最大比合并的合并向量，x表示保密信号，h_RR为中继接收的自干扰信道向量，为自干扰信号，n_R为中继接收的1×(N-1)维的加性高斯白噪声向量，||·||表示对向量求2-范数，上标表示求共轭转置；

接着中继利用上述最优的发送天线转发所接收到的保密信息；

步骤2，信宿和窃听者对步骤1的中继转发的保密信息进行接收，在中继向信宿和窃听者进行信息转发过程中，当中继采用放大转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号分别进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

其中，β(0<β<1)为放大转发因子，并满足：

式中，h₃为中继任意一根天线到窃听者的信道参数，n_D和n_E分别表示信宿和窃听者接收的加性高斯白噪声，n_D和n_E的方差分别为和E[·]表示求数学期望；

步骤3，当中继采用解码转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

步骤4，计算在中继采用放大转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤5，计算在中继采用解码转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤6，依照下式分别计算当中继采用放大转发协议时和采用解码转发协议时的系统瞬时安全速率：

C_S＝max{C_D-C_E,0}

其中，当中继采用放大转发协议时，有当中继采用解码转发协议时，有

然后，对系统瞬时安全速率C_S求数学期望，即求系统平均安全速率：将中继采用放大转发协议和解码转发协议的系统平均安全速率分别记为和

步骤7，中继根据信道参数和h₃，依据步骤6得出的平均安全速率进行安全性能评估：假定信宿和窃听者的接收噪声功率一定，当时，表明放大转发协议在该情况下优于解码转发协议，中继采用放大转发协议进行转发信源信息；当时，中继采用解码转发协议。

采用上述方法后，本发明的有益效果是：在系统中信息的传输在一个时隙内完成，先通过信源向中继传输信息，中继通过选择一根能够最大化信宿接收信噪比的天线进行传输，并利用剩余天线进行最大比合并接收信源信息，在该过程中，假定中继能够获知信宿和窃听者的信道状态信息，并利用该信息评估系统的平均安全速率，在放大转发协议和解码转发协议两个协议中选择最佳(平均安全速率更大)的中继协议进行传输。本发明利用全双工中继可以有效提高系统的传输速率的特点以及结合发送天线选择技术的使用有效地改善了系统的安全性能，而且，通过两种主要协议的切换，可以自适应地根据场景选择最佳中继协议以提高系统的的评价安全速率和性能。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方法进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法应用的通信系统框图。

图2是本发明所提的具体实施流程图。

图3是平均安全速率在不同的中继协议下随信宿的平均信噪比变化的曲线图。

具体实施方式

本发明揭示的一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法，如图1所示，该方法在包括信源(S)、中继(R)、信宿(D)和窃听者(E)四个节点的系统中应用，且系统信息传输在一个时隙内完成，其中中继配置了N根天线和，其余节点均配置单天线，中继至信宿的信道向量记为如图2所示，方法包括以下步骤：

步骤1，中继向信宿发送导频信息至信宿，信宿估计出中继至信宿的信道状态信息h₂后，将此信道状态信息反馈至中继，中继根据此信道状态信息将N根天线区分成两组，一组为一根最优的发送天线，该天线能够使得中继至信宿的信道增益最大化，即另一组为其余N-1根接收天线；

然后信源再向中继广播保密信息，同时中继利用N-1根接收天线接收信息，并采用最大比合并信源信息，中继的接收信号表示为：

其中，P_S和P_R分别为信源和中继的信号发送功率，h₁为信源到中继的N-1根接收天线的信道向量，为采用最大比合并的合并向量，x表示保密信号，h_RR为中继接收的自干扰信道向量，为自干扰信号，n_R为中继接收的1×(N-1)维的加性高斯白噪声向量，||·||表示对向量求2-范数，上标表示求共轭转置；

接着中继利用上述最优的发送天线转发所接收到的保密信息；

步骤2，信宿和窃听者对步骤1的中继转发的保密信息进行接收，在中继向信宿和窃听者进行信息转发过程中，当中继采用放大转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号分别进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

其中，β(0<β<1)为放大转发因子，并满足：

式中，h₃为中继任意一根天线到窃听者的信道参数，n_D和n_E分别表示信宿和窃听者接收的加性高斯白噪声，n_D和n_E的方差分别为和E[·]表示求数学期望；

步骤3，当中继采用解码转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

步骤4，计算在中继采用放大转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤5，计算在中继采用解码转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤6，依照下式分别计算当中继采用放大转发协议时和采用解码转发协议时的系统瞬时安全速率：

C_S＝max{C_D-C_E,0}

其中，当中继采用放大转发协议时，有当中继采用解码转发协议时，有

然后，对系统瞬时安全速率C_S求数学期望，即求系统平均安全速率：将中继采用放大转发协议和解码转发协议的系统平均安全速率分别记为和

步骤7，中继根据信道参数和h₃，依据步骤6得出的平均安全速率进行安全性能评估：假定信宿和窃听者的接收噪声功率一定，当时，表明放大转发协议在该情况下优于解码转发协议，中继采用放大转发协议进行转发信源信息；当时，中继采用解码转发协议。

参见图3，是本发明上述方法中，在不同的中继协议下平均安全速率随信宿的平均信噪比变化的情况，仿真表明本发明所提安全传输方法能够取得较好的安全传输性能，并可根据不同中继协议进行自适应的协议切换，以进一步提高平均安全速率，增强系统安全性能。

Claims (1)

1.一种全双工机会式中继的协议自适应切换安全传输方法，其特征在于，该方法在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的系统中应用，且系统信息传输在一个时隙内完成，其中中继配置了N根天线和，其余节点均配置单天线，中继至信宿的信道向量记为方法包括以下步骤：

步骤1，中继向信宿发送导频信息至信宿，信宿估计出中继至信宿的信道状态信息h₂后，将此信道状态信息反馈至中继，中继根据此信道状态信息将N根天线区分成两组，一组为一根最优的发送天线，该天线能够使得中继至信宿的信道增益最大化，即另一组为其余N-1根接收天线；

然后信源再向中继广播保密信息，同时中继利用N-1根接收天线接收信息，并采用最大比合并信源信息，中继的接收信号表示为：

其中，P_S和P_R分别为信源和中继的信号发送功率，h₁为信源到中继的N-1根接收天线的信道向量，为采用最大比合并的合并向量，x表示保密信号，h_RR为中继接收的自干扰信道向量，为自干扰信号，n_R为中继接收的1×(N-1)维的加性高斯白噪声向量，||·||表示对向量求2-范数，上标表示求共轭转置；

接着中继利用上述最优的发送天线转发所接收到的保密信息；

步骤2，信宿和窃听者对步骤1的中继转发的保密信息进行接收，在中继向信宿和窃听者进行信息转发过程中，当中继采用放大转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号分别进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

其中，β(0<β<1)为放大转发因子，并满足：

式中，h₃为中继任意一根天线到窃听者的信道参数，n_D和n_E分别表示信宿和窃听者接收的加性高斯白噪声，n_D和n_E的方差分别为和E[·]表示求数学期望；

步骤3，当中继采用解码转发协议时，对信宿和窃听者的接收信号进行处理，且将信宿和窃听者的接收信号分别表示为：

步骤4，计算在中继采用放大转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤5，计算在中继采用解码转发协议时信宿和窃听者瞬时接收信噪比，且将信宿和窃听者的瞬时接收信噪比分别表示为：

步骤6，依照下式分别计算当中继采用放大转发协议时和采用解码转发协议时的系统瞬时安全速率：

C_S＝max{C_D-C_E,0}

其中，当中继采用放大转发协议时，有当中继采用解码转发协议时，有

然后，对系统瞬时安全速率C_S求数学期望，即求系统平均安全速率：将中继采用放大转发协议和解码转发协议的系统平均安全速率分别记为和

步骤7，中继根据信道参数和h₃，依据步骤6得出的平均安全速率进行安全性能评估：假定信宿和窃听者的接收噪声功率一定，当时，表明放大转发协议在该情况下优于解码转发协议，中继采用放大转发协议进行转发信源信息；当时，中继采用解码转发协议。