CN107342803B - 中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，包括以下步骤：1)用户节点Alice在信息传输时，先从所有中继节点中随机选择N_a个中继节点用于携带用户节点Alice的信息，再构建映射函数，使得用户节点Alice发送信息的符号与选择出来N_a个中继节点的数字标识符一一对应；2)将各中继节点划分到中继集合Ω₁及中继集合Ω₂中；3)中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码，然后再转发至目的节点中；4)通过空间检测天线集合l₁中的各接收天线将中继集合Ω₂中各中继节点发送过来的信息抵消掉；5)目的节点对收到的信息进行解码，得用户节点Alice发送的信息，该方法能够实现没有专用中继节点时协作通信系统中信息的物理层安全传输。

Description

中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线中继系统的物理层安全技术领域，涉及一种中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法。

背景技术

作为第四代移动通信中的关键技术之一，协作通信在增加系统传输范围、提高系统的传输吞吐量以及增强传输的可靠性方面具有非常显著的优势。协作通信系统的核心思想是利用无线网络中的多个节点之间的相互协作，实现传输路径共享，提升系统的覆盖范围，降低传输功率，提高整个无线网络的吞吐量。传统的协作通信方案中仅考虑了节点是作为中继节点的角色，该类节点只是发挥了一个转发源节点信息的功能。目前，协作通信的研究主要集中在增强整个系统的稳定性，例如中继选择，波束赋形的设计，分布式空时编码等等。由于协作通信系统中存在较多的节点，因此其网络结构往往较为复杂，保障协作系统中信息的安全传输同样是一个很严峻的问题，所以，近年来，有很多学者也十分关注协作通信系统的物理层传输的安全性问题。

在协作通信系统中，已经有很多的技术用来保障系统的安全传输。之前提到的用来增强系统稳定性的中继选择和波束赋形技术也被重新设计来提升系统的安全性。协作干扰是一种有效的抵抗窃听节点获取有用信息的方法。举个例子，当中继节点与目的节点间的信息传输有安全需求的时候，针对中继节点为单天线和多天线的情况，有的文献提出了协作波束赋形方案来保障安全传输，其主要思想是在中继节点处，利用协作波束赋形的技术，将信号波形集中到目的节点的方向，从而使得在目的节点之外的节点能接收到的信号的功率非常小，来降低窃听节点的接收功率。在有的文献中，提出了在不同的协作传输协议下，利用中继选择技术来增强系统的安全性的方案，该方案是在每次传输之前，在源节点处，利用全局信道状态信息，选出一个或者多个中继进行第二阶段的信号传输，中继选择的准则是要满足选出的中继需使得整个系统的安全速率最大。针对双向中继系统，有文献提出了一种联合预编码和协作干扰设计的方案，能有效的保障系统的安全传输。也有文献将中继选择，协作波束赋形，协作干扰联合设计来抵抗窃听节点获取有用信息。此外，还有作者利用星座点旋转以及抗窃听空时编码来保障协作通信系统中的安全性。

然而，前面的这些工作都是基于专用的中继节点可以工作的假设下的，这些专用的中继节点扮演着信息的转发或者干扰的角色。当这些专用的中继节点不存在的时候，其他的在网络中有着自己传输任务的用户节点就必须协助源节点转发信息，这些用户节点就被强迫使用他们自己的资源来转发源节点的数据，并且这些用户节点无法传输自己的信息，从而会对整个系统的吞吐量造成影响，目前还没有文章考虑在一个没有专用的中继节点的协作通信系统中的物理层安全传输问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，该方法能够实现没有专用中继节点时协作通信系统中信息的物理层安全传输。

为达到上述目的，本发明所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法包括以下步骤：

1)设协作通信系统包括N+1个用户节点及一个目的节点Bob，其中，各用户节点处于同一簇内，各用户节点均配置单个天线，目的节点Bob配置N_r根接收天线，所有用户节点中仅有一个用户节点Alice有安全需求，剩余N个用户节点均作为中继节点以帮助用户节点Alice进行信息的传递，每个中继节点均分配有一个数字标识符i∈[1,N]；

2)用户节点Alice在信息传输时，先从所有中继节点中随机选择N_a个中继节点用于携带用户节点Alice的信息，则存在种选择方式，再构建映射函数，使得用户节点Alice发送信息的符号与选择出来N_a个中继节点的数字标识符一一对应；

3)用户节点Alice向各中继节点广播待发送信息，各中继节点接收用户节点Alice广播过来的信息，再将接收到的信息进行解码，得接收到的信息的符号，然后根据映射函数判断各中继节点接收到的信息的符号是否与自身的数字标识符相对应，并根据判断的结果将各中继节点划分到中继集合Ω₁及中继集合Ω₂中，其中，中继集合Ω₁中各中继节点接收到的信息的符号与自身的数字标识符相对应，中继集合Ω₂中各中继节点收到的信息的符号与自身的数字标识符不对应；

4)中继集合Ω₁中各中继节点将接收到的信息转发至目的节点中，中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码，然后再转发至目的节点中；

5)目的节点Bob将自身的N_r接收天线分为两组，其中，由第一组接收天线构建的集合记作空间检测天线集合l₁，其中，空间检测天线集合l₁内有N_r1根接收天线，由第二组接收天线构成的集合记作符号检测天线集合l₂，目的节点Bob上的接收天线在接收信息时，通过空间检测天线集合l₁中的各接收天线将中继集合Ω₂中各中继节点发送过来的信息抵消掉；

6)目的节点对收到的信息进行解码，得用户节点Alice发送的信息，完成中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输。

用户节点Alice广播待发送信息的调制阶数为 代表取比x大的最小的2的整数次幂，用户节点Alice使用个中继节点中的个中继节点进行信息的传递。

中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码的具体操作为：

中继集合Ω₂中的中继节点对接收到的信息根据预编码矩阵P进行预编码，使中继集合Ω₂中各中继节点发送的信息能够在空间检测天线集合l₁中各各接收天线处被抵消掉，其中，预编码矩阵P由信道H₁₂的零空间的元素构成，H₁₂为中继集合Ω₂中的中继节点到空间检测天线集合l₁中各接收天线处的信道矩阵。

目的节点Bob处的接收信号y_B为：

其中，E_r为中继节点的发射功率，H为所有中继节点与目的节点Bob之间的信道矩阵，x为所有中继节点发送的信息构成的向量，n_B为目的节点Bob处均值为0的加性高斯白噪声，n_B的方差为

目的节点上第一组天线接收到的信号y_B1及第二组天线接收到的信号y_B2分别为：

其中，H_nm为集合Ω_m内的所有中继节点与集合l_n内的所有接收天线的信道矩阵，m,n∈1,2；x₁为中继集合Ω₁中各中继节点发送的信号，x₂为中继集合Ω₂中各中继节点发送的信号，n_B1,n_B2为目的节点Bob处的加性高斯白噪声。

目的节点Bob将空间检测天线集合l₁中的接收天线收到的信息按照式(4)进行解码，得用户节点Alice发送过来的信息，其中，

其中，为中继集合Ω₁中的中继节点与空间检测天线集合l₁中的接收天线之间的信道矩阵，x′为中继集合Ω₁中的中继节点发送的信号。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法在具体操作时，所有用户节点中仅有一个用户节点Alice有安全需求，剩余N个用户节点均作为中继节点以帮助用户节点Alice进行信息的传输，同时在信息输出过程中，用户节点Alice选取若干中继节点用于携带用户节点Alice的信息，目的节点在接收信息时，将没有被选择出来的中继节点转发的信息在目的节点处被抵消掉，并解码选择出来的中继节点转发过来的信息，以实现没有专用中继节点时协作通信系统中信息的物理层安全传输，需要说明的是，信息在传递过程中，各信道之间衰落的独立性，窃听节点Eve永远检测到的是所有的中继节点都处在激活的状态，无法分辨被选择出来的中继节点和未被选择出来的中继节点，因此无法正确的恢复出用户节点Alice发送的信息，从而有效的保证信息的安全传输。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明与现有方案在不同窃听节点天线个数下的遍历安全速率比较图；

图3为在不同接收天线个数本发明与现有方案下的遍历安全速率比较图；

图4为本发明与与分布式空间调制方案的平均总互信息比较图。

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，本发明所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法包括以下步骤：

1)设协作通信系统包括N+1个用户节点及一个目的节点Bob，其中，各用户节点处于同一簇内，各用户节点均配置单个天线，目的节点Bob配置N_r根接收天线，所有用户节点中仅有一个用户节点Alice有安全需求，剩余N个用户节点均作为中继节点以帮助用户节点Alice进行信息的传递，每个中继节点均分配有一个数字标识符i∈[1,N]；

2)用户节点Alice在信息传输时，先从所有中继节点中随机选择N_a个中继节点用于携带用户节点Alice的信息，则存在种选择方式，再构建映射函数，使得用户节点Alice发送信息的符号与选择出来N_a个中继节点的数字标识符一一对应；

3)用户节点Alice向各中继节点广播待发送信息，各中继节点接收用户节点Alice广播过来的信息，再将接收到的信息进行解码，得接收到的信息的符号，然后根据映射函数判断各中继节点接收到的信息的符号是否与自身的数字标识符相对应，并根据判断的结果将各中继节点划分到中继集合Ω₁及中继集合Ω₂中，其中，中继集合Ω₁中各中继节点接收到的信息的符号与自身的数字标识符相对应，中继集合Ω₂中各中继节点收到的信息的符号与自身的数字标识符不对应；

4)中继集合Ω₁中各中继节点将接收到的信息转发至目的节点中，中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码，然后再转发至目的节点中；

5)目的节点Bob将自身的N_r接收天线分为两组，其中，由第一组接收天线构建的集合记作空间检测天线集合l₁，其中，空间检测天线集合l₁内有N_r1根接收天线，由第二组接收天线构成的集合记作符号检测天线集合l₂，目的节点Bob上的接收天线在接收信息时，通过空间检测天线集合l₁中的各接收天线将中继集合Ω₂中各中继节点发送过来的信息抵消掉；

6)目的节点对收到的信息进行解码，得用户节点Alice发送的信息，完成中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输。

具体的，用户节点Alice广播待发送信息的调制阶数为代表取比x大的最小的2的整数次幂，用户节点Alice使用个中继节点中的个中继节点进行信息的传递。

中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码的具体操作为：中继集合Ω₂中的中继节点对接收到的信息根据预编码矩阵P进行预编码，使中继集合Ω₂中各中继节点发送的信息能够在空间检测天线集合l₁中各各接收天线处被抵消掉，其中，预编码矩阵P由信道H₁₂的零空间的元素构成，H₁₂为中继集合Ω₂中的中继节点到空间检测天线集合l₁中各接收天线处的信道矩阵。

目的节点Bob处的接收信号y_B为：

其中，E_r为中继节点的发射功率，H为所有中继节点与目的节点Bob之间的信道矩阵，x为所有中继节点发送的信息构成的向量，n_B为目的节点Bob处均值为0的加性高斯白噪声，n_B的方差为

目的节点上第一组天线接收到的信号y_B1及第二组天线接收到的信号y_B2分别为：

其中，H_nm为集合Ω_m内的所有中继节点与集合l_n内的所有接收天线的信道矩阵，m,n∈1,2；x₁为中继集合Ω₁中各中继节点发送的信号，x₂为中继集合Ω₂中各中继节点发送的信号，n_B1,n_B2为目的节点Bob处的加性高斯白噪声。

目的节点Bob将空间检测天线集合l₁中的接收天线收到的信息按照式(4)进行解码，得用户节点Alice发送过来的信息，其中，

其中，为中继集合Ω₁中的中继节点与空间检测天线集合l₁中的接收天线之间的信道矩阵，x′为中继集合Ω₁中的中继节点发送的信号。

窃听节点Eve的接收信号y_E为：

其中，G为所有中继节点与窃听节点Eve之间的信道矩阵，n_E为窃听节点Eve处的加性高斯白噪声，x为所有中继节点发送的信息。

仿真实验

为验证本发明的性能，假设有9个用户节点，即有8个用户节点用于充当中继节点的角色。本试验中将通过本发明与现有方案进行比较。

首先，先对现有方案进行介绍，OWjamming方案是一种根据系统的性能动态的决定是否使用人工噪声的办法，由于人工噪声不仅仅会干扰窃听节点，降低窃听节点的信道质量，与此同时，也会对合法节点造成干扰。基于合法节点无法抵消人工噪声的影响这样的一个假设，所有时隙都发送人工噪声并不是最好的方案，因此，OWjamming方案就是根据系统的瞬时安全速率来判断，在每次传输时有两种模式，一种是不使用人工噪声的方式，这种方式在每次传输过程中，只选择一个中继节点来转发源节点的信息，而选择中继节点的准则就是让选择出来的中继节点能最大化系统的安全速率；另一种是使用人工噪声的方式，这种方式在每次传输过程中，选择两个中继节点，一个中继节点作为转发信息的节点，另一个中继节点作为干扰者发送人工噪声，这个模式下中继选择的准则为：先根据安全速率最大化的要求，选出一个中继节点，然后在剩下的中继节点中选择一个中继节点作为干扰，使得整个系统的安全速率能够达到最大；DFbORS方案为一个没有利用人工噪声的方案，该方案是在解码转发的协议下，利用目的节点和窃听节点的信道状态信息，在每次传输时，选择一个中继节点，使得系统的安全速率最大；协作波束赋形方案是利用中继节点的协作，将发射波束聚焦到目的节点处，而利用窃听节点的信道状态信息，在窃听节点处造成一个零陷，使得窃听节点无法获取有用信息，从而保障系统的安全传输。

情况1：当目的节点上接收天线的数目为四时，当窃听节点配备不同个数的接收天线的情况下，各个方案的遍历安全速率的变化情况。从图2中可以看出，在低信噪比的时候，理论值与仿真值存在着一定的差距，而在高信噪比的时候，理论值和仿真值之间是重合的，其原因在于：当N_c的值比较大时，则会造成空间域的符号错误概率的联合界有较大的偏差。当信噪比增加时，本发明的安全速率将会达到它的最大值并且可以看出，本发明的安全速率不受窃听者天线数目的影响，其原因在于：对于窃听节点Eve来说，其空间符号实际上只有一个，因此无法从空间符号处获得任何有用的信息，所以这部分的互信息为0，因此无论窃听者天线怎么变化，系统的安全速率仅由目的节点Bob的性能来决定。从图2可以看出，当窃听者天线增多的情况下，现有方案的安全速率都会下降，然而本发明不仅具有最好的安全性能，而且其安全性能完全不受窃听者天线的影响。

情况2：给出了窃听者的接收天线的数目固定为4，当目的节点Bob配备不同个数的接收天线的情况下，各个方案的遍历安全速率的变化情况。对于协作波束赋形方案，由于对天线数目的限制N_r+N_e≤N，因此，只对该方案的用户节点Bob配备3根天线和4根天线的情况进行仿真。从图3中可以看出，当信噪比增大的时候，本发明的安全速率可以达到最大值，并且它的收敛速度随着目的节点Bob的天线数目的增大而变快。另外，相比较于三个现有方案，本发明在没有专用中继节点以及没有使用额外的干扰的前提下，仍具有最好的安全性能。

情况3：给出了本发明与DSM方案的平均总互信息比较。假设在DSM方案中，所有中继节点都能够正确的解码源节点的信息，在这两个方案中，中继节点的个数都设置为8个。从图4中可以看出，本发明与DSM方案中，中继节点的个数都决定系统能达到的空间域互信息的上限，而接收天线的个数则决定了总互信息上升的速度。从图4中可以明显看出，本发明在平均总互信息要优于DSM方案。

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 (6)

1.一种中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设协作通信系统包括N+1个用户节点及一个目的节点Bob，其中，各用户节点处于同一簇内，各用户节点均配置单个天线，目的节点Bob配置N_r根接收天线，所有用户节点中仅有一个用户节点Alice有安全需求，剩余N个用户节点均作为中继节点以帮助用户节点Alice进行信息的传递，每个中继节点均分配有一个数字标识符i∈[1,N]；

2)用户节点Alice在信息传输时，先从所有中继节点中随机选择N_a个中继节点用于携带用户节点Alice的信息，则存在种选择方式，再构建映射函数，使得用户节点Alice发送信息的符号与选择出来N_a个中继节点的数字标识符一一对应；

3)用户节点Alice向各中继节点广播待发送信息，各中继节点接收用户节点Alice广播过来的信息，再将接收到的信息进行解码，得接收到的信息的符号，然后根据映射函数判断各中继节点接收到的信息的符号是否与自身的数字标识符相对应，并根据判断的结果将各中继节点划分到中继集合Ω₁及中继集合Ω₂中，其中，中继集合Ω₁中各中继节点接收到的信息的符号与自身的数字标识符相对应，中继集合Ω₂中各中继节点收到的信息的符号与自身的数字标识符不对应；

4)中继集合Ω₁中各中继节点将接收到的信息转发至目的节点中，中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码，然后再转发至目的节点中；

5)目的节点Bob将自身的N_r接收天线分为两组，其中，由第一组接收天线构建的集合记作空间检测天线集合l₁，其中，空间检测天线集合l₁内有N_r1根接收天线，由第二组接收天线构成的集合记作符号检测天线集合l₂，目的节点Bob上的接收天线在接收信息时，通过空间检测天线集合l₁中的各接收天线将中继集合Ω₂中各中继节点发送过来的信息抵消掉；

6)目的节点对收到的信息进行解码，得用户节点Alice发送的信息，完成中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输。

2.根据权利要求1所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，用户节点Alice广播待发送信息的调制阶数为 代表取比x大的最小的2的整数次幂，用户节点Alice使用个中继节点中的个中继节点进行信息的传递。

3.根据权利要求1所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，中继集合Ω₂中各中继节点对接收到的信息进行预编码的具体操作为：

中继集合Ω₂中的中继节点对接收到的信息根据预编码矩阵P进行预编码，使中继集合Ω₂中各中继节点发送的信息能够在空间检测天线集合l₁中各接收天线处被抵消掉，其中，预编码矩阵P由信道H₁₂的零空间的元素构成，H₁₂为中继集合Ω₂中的中继节点到空间检测天线集合l₁中各接收天线处的信道矩阵。

4.根据权利要求1所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，

目的节点Bob处的接收信号y_B为：

其中，E_r为中继节点的发射功率，H为所有中继节点与目的节点Bob之间的信道矩阵， x为所有中继节点发送的信息构成的向量，n_B为目的节点Bob处均值为0的加性高斯白噪声，n_B的方差为

5.根据权利要求4所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，目的节点上第一组天线接收到的信号y_B1及第二组天线接收到的信号y_B2分别为：

其中，H_nm为集合Ω_m内的所有中继节点与集合l_n内的所有接收天线的信道矩阵，m,n∈1,2；x₁为中继集合Ω₁中各中继节点发送的信号，x₂为中继集合Ω₂中各中继节点发送的信号，n_B1,n_B2为目的节点Bob处的加性高斯白噪声。

6.根据权利要求5所述的中继网络中基于分布式空间调制的物理层安全传输方法，其特征在于，

目的节点Bob将空间检测天线集合l₁中的接收天线收到的信息按照式(4)进行解码，得用户节点Alice发送过来的信息，其中，

其中，为中继集合Ω₁中的中继节点与空间检测天线集合l₁中的接收天线之间的信道矩阵，x′₁为中继集合Ω₁中的中继节点发送的信号。