CN106954244B - 一种面向5g大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，对于每个中继节点来说，利用源节点‑中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点‑中继、中继‑窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大‑最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；利用接收的导频信号功率去代替信道增益，得出低复杂度中继选择方法，不需要计算源节点、窃听节点接收信噪比、计算源节点‑中继、中继‑窃听节点信道增益，大大简化了计算复杂度。同时通过仿真结果表明，本发明在性能上非常接近于最优中继选择方法。

Description

一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法。

背景技术

协作中继通信系统可以扩大信号传输范围，在5G多层蜂窝无线网络中可以有效改善系统容量，近来成为一大研究热点。协作中继中的双向放大转发方式具有频谱效率高、计算复杂度低等优点，在点对点网络中有广泛的应用。最近，越来越多的研究人员利用中继选择方案去保护协作网络并且取得了良好的效果。但是，目前大多数的协作网络安全都是利用中继单向传输或者双向译码转发方式实现。利用双向放大转发的中继选择方案来保护物理层安全的方法还没有被深入研究。对于双向放大转发的中继选择方案，J.Chen等人在IEEE Trans.on Information Forensics and Security上发表的文章“Joint relay andjammer selection for secure two-way relay networks”对于双向放大转发提出了几种协作中继联合协作干扰抗窃听方案，但是也提到了此种中继选择方案有两个缺点，一是协作干扰方法不一定有效甚至会反过来降低系统的安全性能，二是该方案需要信道状态信息(CSI)，计算复杂度较高。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的双向放大转发的中继选择方法存在协作干扰方法不一定有效甚至会反过来降低系统的安全性能；需要信道状态信息，计算复杂度较高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法。

本发明是这样实现的，一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，

本发明提出的低复杂度中继选择方法可用下式表示：

上式中，γ_A、γ_B和γ_R分别表示各自节点发射功率与信道噪声方差的比值，

和

分别表示各信源节点到中继k的信道状态信息，

和

分别表示各信源节点接收到的来自中继k的接收导频信号功率。

进一步，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法对于每个中继节点包括：

首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；

然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；

最后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出低复杂度中继选择方法。

进一步，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法具体包括以下步骤：

步骤一，计算信源接收信号的信道容量；

步骤二，计算窃听节点接收信号的信道容量；

步骤三，获得基于最优中继选择的抗窃听方法；

步骤四，利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；

步骤五，利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；

步骤六，获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法。

进一步，所述步骤四具体包括：

(1)利用信源节点接收信噪比上限对信源接收信噪比进行缩放：

(2)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，利用信噪比简化信源A、B信道容量：

进一步，所述步骤五具体包括：

(1)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，得到每个窃听节点接收信噪比上限：

(2)由香农定理确定窃听节点信道容量：

进一步，所述步骤六具体包括：

(1)得到基于低复杂度中继选择的抗窃听方法：

(2)利用信源接收信号导频模方均值去代替瞬时信道状态信息，可用下式表示：

上式中，P_A和P_B分别表示各信源节点发射功率，N₀表示噪声方差。

(3)修正后的低复杂度中继选择方法可用下式表示：

其中：

本发明的另一目的在于提供一种应用所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法的协作中继通信系统。

本发明的优点及积极效果为：对于每个中继节点来说，首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；然后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出本发明涉及的低复杂度中继选择方法，不需要像最优中继选择方案那样计算源节点、窃听节点接收信噪比，也不需要计算源节点-中继、中继-窃听节点信道增益，大大简化了计算复杂度。同时通过仿真结果表明，本发明在性能上非常接近于最优中继选择方法。

本发明可以通过降低计算复杂度来提升系统功耗性能。最优中继选择方法需要集中式实施方式和所有潜在节点链接信道的瞬时状态信息，对于本系统其计算复杂度为Ο(KM)，需要消耗大量性能资源；在实际工作环境中，获得实时和窃听节点相关的瞬时信道状态信息甚至是不可能的。而本发明是以分布式实施，需要计算接收导频信号功率而不是信道估计，此外还不需要计算和窃听节点相关信息，对于本系统其计算复杂度为常数阶Ο(1)。

本发明可以提高系统实时性，最优中继选择方法时间先验来获取估算信道信息需要K+M个时隙。其中K是中继节点数量，M是窃听节点数量。当窃听节点足够大时，系统延迟会非常高。而本发明基于时间先验信息只需要2个时隙，和中继、窃听节点数量均无关系。这就大大提高了系统的实时性。

本发明的最优中继选择方法更适用于未来5G大规模中继网络；用于未来5G大规模网络传输。利用信噪比上限和接收导频信号功率简化信源、窃听节点信道容量，利用窃听节点信噪比上限去简化窃听节点信道容量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法流程图。

图2是本发明实施例提供的用于系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的与最优中继选择方法安全中断概率仿真对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法包括以下步骤：

S101：计算信源接收信号的信道容量；

S102：计算窃听节点接收信号的信道容量；

S103：获得基于最优中继选择的抗窃听方法；

S104：利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；

S105：利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；

S106：获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

参照附图2，本发明实施例提供的系统由两个信源节点、K个中继节点和M个窃听节点组成。所有节点均为单天线。所有中继用半双工放大转发协议工作。这里不考虑信源-窃听节点信道，该假设适用于中继节点分布于高原或者是天空中的飞行器，且信源和窃听节点处于无法直接相连的复杂陆地环境。因此在第一时隙，信源发送信号只被中继接收；第二时隙，中继将接收到的信号进行放大转发，被信源和窃听节点接收。仿真中，信道均为瑞利衰落信道。

如果信源在发送信号的时候窃听节点保持静默，本发明很难知道窃听节点在第一时隙的接收信噪比。考虑到这种情况，本发明用信源-窃听节点信道状态信息均值去代替信源-窃听节点瞬时信道状态信息。

(1)计算信源接收信号的信道容量：

1a)计算信源接收信号的信噪比：

1b)由香农定理确定信源A、B的信源信道容量：

(2)计算窃听节点接收信号的信道容量：

2a)计算窃听节点接收信号的信噪比：

其中

2b)本发明假设窃听节点之间是不能相互协作，由香农定理确定窃听节点信道容量：

(3)获得基于最优中继选择的抗窃听方案：

3a)经过步骤(1)(2)，信号经过每个中继到达另一个信源的安全速率可用下式表示：

上式中，

表示信源A发送的信号经过中继k达到信源B的安全速率，

表示信源A发送的信号经过中继k达到信源B的信道容量，

表示信源A发送的信号经过中继k达到窃听节点m的信道容量。类似的，信源B发射的信号经过中继k到达信源A同理表示。

3b)信号通过中继节点m的系统整体安全速率由

和

中最坏安全速率表示，即可用下式表示：

3c)最优中继选择方案即选择信号通过某中继节点，系统整体安全速率最大的中继即为最优中继节点，用下式表示：

上式即为基于双信源多中继多窃听节点双向放大转发的最优中继选择抗窃听方案。

(4)利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算：

4a)利用信源节点接收信噪比上限对信源接收信噪比进行缩放：

4b)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，利用步骤4a)中信噪比简化信源A、B信道容量：

(5)利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算：

5a)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，可以得到每个窃听节点接收信噪比上限：

从上式中本发明可以看出，窃听节点接收信噪比上限和中继-窃听节点信道状态信息无关，这就简化了信噪比计算复杂度。

5b)经过上述简化，由香农定理确定窃听节点信道容量：

(6)获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方案：

6a)根据步骤3b)、3c)以及简化的信源、窃听节点接收信噪比，可以得到基于低复杂度中继选择的抗窃听方案：

6b)利用信源接收信号导频模方均值(统计值)去代替瞬时信道状态信息，可用下式表示：

6c)修正后的低复杂度中继选择方案可用下式表示：

其中：

从上述中继选择方案可以看出，该方案只依赖信源-中继信道信息，因此大大降低了中继选择方案的复杂度。利用该方案，一个中继可以在没有窃听节点相关信息(比如窃听节点数量、坐标和信道状态信息)情况下对中继选择做出合适判断。

下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。

为了证明本发明性能，本发明的最优中继选择方法和本发明中继选择方法(低复杂度中继选择方案)的安全中断概率，安全中断概率指的是系统整体安全速率低于预先设置的目标速率C_th的概率，并以此作为评价该方案优劣的性能指标。与本发明中继选择方法推导过程类似，本发明安全中断概率可由最优中继选择方法安全中断概率简化得到：

上式中，C_th为安全中断概率门限，Ψ_k为中继节点k的系统整体安全速率，

为Ψ_k的累计分布函数。

进一步，

可通过下式简化：

因此，低复杂度安全中断概率可简化为下式：

接下来用安全中断概率仿真来验证本发明的性能；本发明设定γ_A＝γ_B＝γ_R＝γ₀，C_th＝0,M＝3,K＝2,5,8所有信道是瑞利衰落信道。

附图3展示了所提发明的基于低复杂度的中继选择方法(LRSC,Low-complexityRelay Selection Criterion)安全性能非常接近于最优中继选择(ORSC,Optimal RelaySelection Criterion)方法，在大大降低系统计算复杂度的前提下保证了中继选择方法的有效性。此外如附图3所展示的那样，本发明所推导的分析结果和仿真结果吻合很好。进一步，本发明也可以看出系统安全性能会随着中继节点数目的增多而有很大改善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，

所述低复杂度中继选择方法为：

上式中，γ_A、γ_B和γ_R分别表示各自节点发射功率与信道噪声方差的比值，

和

分别表示各信源节点到中继k的信道状态信息，

和

分别表示各信源节点接收到的来自中继k的接收导频信号功率；

所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法具体包括以下步骤：

步骤一，计算信源接收信号的信道容量；

步骤二，计算窃听节点接收信号的信道容量；

步骤三，获得基于最优中继选择的抗窃听方法；

步骤四，利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；

步骤五，利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；

步骤六，获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法；

所述步骤四具体包括：

(1)利用信源节点接收信噪比上限对信源接收信噪比进行缩放：

(2)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，利用信噪比简化信源A、B信道容量：

2.如权利要求1所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法对于每个中继节点包括：

首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；

然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；

最后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出低复杂度中继选择方法。

3.如权利要求1所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：

(1)在高信噪比条件下，近似认为γ_R，γ_A，γ_B→∞，得到每个窃听节点接收信噪比上限：

(2)由香农定理确定窃听节点信道容量：

4.如权利要求1所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：

(1)得到基于低复杂度中继选择的抗窃听方法：

(2)利用信源接收信号导频模方均值去代替瞬时信道状态信息，可用下式表示：

上式中，P_A和P_B分别表示各信源节点发射功率，N₀表示噪声方差；

(3)修正后的低复杂度中继选择方法可用下式表示：

其中：

5.一种应用权利要求1～4任意一项所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法的协作中继通信系统。

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