CN106992836A - 一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，应用在包括信源、中继和目的端三个节点的无线通信系统中，所述中继为非可信中继；方法包括：第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端；目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并；根据中继在第一时隙内的接收信噪比和目的端在两个时隙内的接收信噪比计算出系统的瞬时安全容量。本发明方法既能使信源高效地发送信息到目的端，又能使目的端有效地干扰中继节点接收有用信息，从而让系统的安全容量最大化。

Description

一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法。本发明涉及无线通信物理层安全及协作通信领域，特别涉及到一种基于协作干扰下全双工目的端加扰非可信中继的传输方法。

背景技术

随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性。

相比与传统无线通信网络，无线网络中协同中继技术的研究受到了广泛关注，协作中继通信能够扩大网络覆盖范围，并能确保更高的吞吐量和服务质量。协作中继传输方法能够改善无线通信的安全性能。协作中继网络的三节点通信模型与传统wiretap通信模型相比，主要区别是前者除了存在外部窃听节点外，还可能存在非可信中继节点的窃听。非可信中继在辅助转发信息同时也在试着窃听信源端信息，这时非可信中继就成为内部窃听者，从而导致系统无法获得正安全容量。

在衰落信道中，大多数研究者采用的中继节点为可信中继，协作中继安全传输中除了友好的中继节点外，也可能存在非可信的中继节点。然而当中继为非可信中继时，对系统的安全性能有非常大的影响。当非可信中继采用解码转发协议传输时，中继节点将比目的端接收到更准确的信息，会导致无法获得系统正安全容量。因此，非可信中继通信系统一般采用放大转发协议进行信息转发，但系统的安全容量也不会有太大的提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，对于非可信中继而言，为了增强系统安全传输性能，本发明采用全双工目的端加扰技术，即目的端接收信息的同时加扰非可信中继。该过程分两个时隙完成，第一时隙，信源发送信息到中继和目的端，同时目的端对非可信中继发送干扰信号，防止中继窃听有用信息；第二时隙，中继将接收的信息放大转发至目的端；目的端将接收的两路信息进行最大比合并，以获得最大接收信噪比，使得全双工目的端获得最大化系统安全容量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，应用在包括信源、中继和目的端三个节点的无线通信系统中，其特征在于，所述中继为非可信中继；所述目的端配置两根天线且工作于全双工模式下，并且收发天线固定，其余节点均配置单根天线，所述无线通信系统信息的传输过程分为两个时隙完成，所述全双工加扰传输方法包括：

第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；

第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端；

目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并。

所述两个时隙的每个时隙总功率为P,信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的端发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P。

所述第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号，包括获得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比，如下：

信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，目的端发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听；中继接收信号的表达式为其中h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示中继的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，目的端在第一时隙内接收信号的表达式可表示为h_SD为直达路径信源到目的端的信道参数，h_LI为目的端收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声；在第一时隙中，根据上述表达式，求得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为： 其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比，h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD。

所述第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，包括获得目的端在第二时隙中的接收信噪比，如下：

在第二时隙中，中继采用放大转发协议将信源信息进行转发，目的端接收信号表示为其中nD2表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声，中继发送的信号 x_R表示为x_R＝βy_R；其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)；由yR的表达式得到

由上可得在第二时隙中，目的端的接收信噪比为

所述目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，包括获得目的端D的接收信噪比γ_D：

信源S和中继R通过正交信道传输信息到目的端D，故目的端D采用最大比合并技术接收两路信号；可得目的端D的接收信噪比γ_D可以表示为：

在中高信噪比区域，上式可进一步近似为：

根据中继在第一时隙内的接收信噪比和目的端在两个时隙内的接收信噪比计算出系统的瞬时安全容量，如下：

窃听信道的信道容量表示为合法信道的信道容量表示为则系统的瞬时安全容量可以表示为其中[x]⁺＝max{0,x}；

将中继的接收信噪比γ_R和目的端的接收信噪比γ_D代入上式，得到系统的瞬时安全容量为：

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过目的端发送干扰噪声到中继，而且目的端在接收中继的转发信息时，可以把自身发送干扰噪声消除，从而不受自身发送的干扰噪声的影响；

(2)本发明设计了信源和目的端的发送功率最优分配方案，既能使信源高效地发送信息到目的端，又能使目的端有效地干扰中继接收有用信息，从而让系统的安全容量最大化。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明无线通信系统的结构框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明方法与传统的半双工方法随着发送功率的变化曲线的性能对比图；

图4为本发明方法与传统半双工方法随着信源到中继的平均信道增益Ω_SR的变化曲线对比图。

具体实施方式

参见图1所示，一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，应用在包括信源S、中继 R和目的端D三个节点的无线通信系统中，其中中继为非可信中继，工作协议为放大转发协议，如果中继采用解码转发方式传输时，中继优先于目的端收到更准确的解码信息，无法获得正安全容量，因此，非可信中继通常采用放大转发中继。当中继为非可信中继时，即中继在接收信源有用信息的同时也在窃听信源信息。因此，本发明使用一种目的端发送人工噪声的方法，用于干扰中继窃听。目的端配置两根天线且工作于全双工模式下，且收发天线固定，其余节点配置单根天线，信源到目的端之间存在直达路径，系统中的各个信道均服从瑞利衰落信道。本发明方法中，信息的整个传输过程分为两个时隙完成，在第一个时隙，信源将有用信息广播至中继和目的端，中继在接收信源的有用信息的同时也会窃听信息，为了防止中继窃听，全双工目的端在接收信源信息的同时将会发送人工噪声干扰中继的窃听；在第二时隙中，中继将接收到的信息通过放大转发的方式转发到目的端，在这个时隙内，目的端只接收信息。目的端在第一时隙内为全双工工作模式，由于目的端已知自身发送的干扰信号，可实施自干扰消除。本发明方法中的非可信中继在实际通信环境中是经常存在的，比如在信息安全传输的过程中往往会遇到一些不可靠的因素，比如在政府情报网络以及金融系统网络中，信息经过中继协同网络进行传输时，中继的安全许可等级一般较低，对于待传输信息而言，中继是未授权的，即非可信中继，在辅助转发信息的同时实际上是在窃听信息。

参见图2所示，一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，步骤包括：

步骤201，第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号。

本发明方法中，信息传输分两个时隙完成，设每个时隙的总功率为P,信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的端发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P。在第一时隙中，信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，目的端发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听。中继接收信号的表达式为其中P_S为信源的发送功率，P_D为目的端的发送功率，h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示中继的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，目的端在第一时隙内接收信号的表达式可表示为h_SD为直达路径信源到目的端的信道参数，h_LI为目的端收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声。在第一时隙中，根据上述表达式，我们可以求得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为： 其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比，h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD。

步骤202，第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端。

基于上述步骤201，由于中继采用了放大转发协议，将第一时隙内中继接收的信号进行放大再转发给目的端。因此，中继发送的信号可以表示为x_R＝βy_R，其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，它可以表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)，其中P_S为信源的发送功率，P_D为目的端的发送功率，h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数。

在第二时隙中，中继将信源信息进行转发。由此可知第二时隙中，目的端接收信号表达式为其中n_D2表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R表示中继在第二时隙的发送功率，x_R表示中继发送信号，且根据上述步骤它可以表示为x_D为单位方差目的端人工噪声信号，目的端在接收中继信号能够正确解码出人工噪声信号。由此可得在第二时隙中，目的端的接收信噪比为

步骤203，目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并。

基于上述步骤202，由于目的端已知自身发送的干扰信号，可实施自干扰消除。信源S 和中继R通过正交信道传输信息到目的端D，故D可采用最大比合并技术接收两路信号。由上述步骤可得D的接收信噪比γ_D可以表示为基于当前技术，可将自干扰信道的干扰信号抑制到噪声的水平。当系统在中高的发送信噪比下，可以认为剩余的自干扰信号对接收信噪比影响非常小，可以忽略不计，便于数学分析并得出诸多有意义的结论。在中高信噪比(大于5dB)区域，上式可进一步近似为：

进一步的，高斯窃听信道的信道容量表示为合法信道的信道容量与窃听信道的信道容量之差。针对本发明方法，窃听信道的信道容量可表示为合法信道的信道容量可表示为则系统的瞬时安全容量可以表示为其中[x]⁺＝max{0,x}。

将中继的接收信噪比γ_R和目的端的接收信噪比γ_D代入上式，可得系统的瞬时安全容量为

如图3所示为本发明的传输方法与传统的半双工方法随着发送功率的变化曲线的性能对比。设置各个信道的平均信道增益分别为Ω_SR＝Ω_RD＝10和Ω_SD＝9，α＝0.5。由图3可知，传统的半双工方法随着发送信噪比的增加，平均安全速率趋于一常数，而本发明的传输性能随着信噪比的增加平均安全速率迅速增加，凸显出本发明传输方法的性能优越性。

如图4所示为本发明传输方法与传统半双工方法随着信源到中继的平均信道增益Ω_SR的变化曲线对比图。设置各自信道的平均信道增益为Ω_RD＝10和Ω_SD＝9，功率分配因子α＝0.5。从图中可以明显看出本发明方法基本不会随着窃听信道增益增加而减少，而传统半双工会随着Ω_SR的增加而下降至零。因此可以看出全双工加扰非可信中继对性能提升十分明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种非可信中继网络中全双工加扰传输方法，应用在包括信源、中继和目的端三个节点的无线通信系统中，其特征在于，所述中继为非可信中继；所述目的端配置两根天线且工作于全双工模式下，并且收发天线固定，其余节点均配置单根天线，所述无线通信系统信息的传输过程分为两个时隙完成，所述全双工加扰传输方法包括：

第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号；

第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端；

目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并。

2.根据权利要求1所述的非可信中继网络中全双工加扰传输方法，其特征在于，所述两个时隙的每个时隙总功率为P,信源发送信息的功率为P_S＝αP，目的端发送干扰信号的功率为P_D＝(1-α)P，其中α∈(0,1)为功率分配因子，中继发送功率为P_R＝P。

3.根据权利要求2所述的非可信中继网络中全双工加扰传输方法，其特征在于，所述第一时隙中，信源发送信息给中继和目的端，目的端接收信源信息同时向中继发送干扰信号，包括获得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比，如下：

信源S将信息广播至中继R和目的端D，与此同时，目的端发送人工噪声信号到中继节点来防止中继窃听；中继接收信号的表达式为其中h_SR为信源至中继的信道参数，h_DR为目的端至中继的信道参数，x_S为单位方差信源信号，x_D为单位方差目的端人工噪声信号，n_R表示中继的方差为σ²的加性白高斯噪声；同时，目的端在第一时隙内接收信号的表达式可表示为h_SD为直达路径信源到目的端的信道参数，h_LI为目的端收发天线间的自干扰信道参数，n_D1表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声；在第一时隙中，根据上述表达式，求得中继和目的端在第一时隙内的接收信噪比表达式分别为： 其中γ_SR＝ρ|h_SR|²，γ_RD＝ρ|h_RD|²，γ_SD＝ρ|h_SD|²，γ_LI＝ρ|h_LI|²，ρ＝P/N₀为系统发送信噪比，h_RD表示中继与目的端之间的信道参数，由于信道互易性，h_DR＝h_RD。

4.根据权利要求3所述的非可信中继网络中全双工加扰传输方法，其特征在于，所述第二时隙中，中继采用放大转发协议将第一时隙内接收的信号放大后转发至目的端，包括获得目的端在第二时隙中的接收信噪比，如下：

在第二时隙中，中继采用放大转发协议将信源信息进行转发，目的端接收信号表示为其中n_D2表示目的端的方差为σ²的加性白高斯噪声，中继发送的信号x_R表示为x_R＝βy_R；其中β是放大转发中继节点的功率放大因子，表示为β²＝1/(P_S|h_SR|²+P_D|h_DR|²+σ²)；由y_R的表达式得到

由上可得在第二时隙中，目的端的接收信噪比为

5.根据权利要求4所述的非可信中继网络中全双工加扰传输方法，其特征在于，所述目的端根据估计得到的信道信息进行自干扰消除，并将第一时隙和第二时隙接收到的信息进行最大比合并，包括获得目的端D的接收信噪比γ_D：

信源S和中继R通过正交信道传输信息到目的端D，故目的端D采用最大比合并技术接收两路信号；可得目的端D的接收信噪比γ_D可以表示为：

${\mathrm{\γ}}_D={\mathrm{\γ}}_{D1}+{\mathrm{\γ}}_{D2}=\frac{{\mathrm{\α\γ}}_{SD}}{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\γ}}_{LI}+1}+\frac{{\mathrm{\α\γ}}_{SR}{\mathrm{\γ}}_{RD}}{{\mathrm{\α\γ}}_{SR}+(2-\mathrm{\α}){\mathrm{\γ}}_{RD}+1}$

在中高信噪比区域，上式可进一步近似为：

6.根据权利要求5所述的非可信中继网络中全双工加扰传输方法，其特征在于，根据中继在第一时隙内的接收信噪比和目的端在两个时隙内的接收信噪比计算出系统的瞬时安全容量，如下：

窃听信道的信道容量表示为合法信道的信道容量表示为则系统的瞬时安全容量可以表示为其中[x]⁺＝max{0,x}；

将中继的接收信噪比γ_R和目的端的接收信噪比γ_D代入上式，得到系统的瞬时安全容量为：

$C_S=\frac{1}{2}{\[{\log }_2(1+{\mathrm{\α\γ}}_{SD}+min\{\frac{{\mathrm{\α\γ}}_{SR}}{2-\mathrm{\α}},{\mathrm{\γ}}_{RD}\left\}\right)-{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α\γ}}_{SR}}{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\γ}}_{RD}+1})\]}^{+}.$