CN107612605A - 一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，包括：根据协作压缩解码转发的数据传输模型，多个活跃源节点以广播形式发送信息给所有中继节点，将所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵作为压缩感知技术中的测量矩阵；每个中继节点对所接收到的来自于多个活跃源节点的叠加信息用解码转发方式进行恢复，将解码后的信息转发给同一目的节点；目的节点分别对来自不同中继节点的信息进行存储，用重构算法对接收到的中继信号进行恢复重构；获取整个系统的主信道容量、窃听信道的容量，两者的差值为系统安全容量。本发明有效保障系统安全性，提高安全容量，保证数据能够有效地、安全地传输至目的节点。

Description

一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法。

背景技术

通信系统的安全问题得到了越来越多研究人员的广泛关注。1949年，Shannon提出了信息论安全的概念，并基于数学研究给出了通信系统理论上可以达到的最佳性能极限，还提出在无噪信道条件下，通过密钥对信息进行加密的通信模型。在这种模型中，窃听者接收到的信息是加过密的，而解密方法只有接收端知道，因此窃听者是不能得到被加密的信息的，从而实现安全通信。

然而实际传输中的不确定性是不容忽视的，Wyner在此基础上建立了窃听信道模型。在一个三终端窃听信道模型中，窃听者被假定为拥有无限的计算能力并且已知了合法信道的加密解密方法，通过主信道与窃听信道不同的信道特性来实现安全传输。在这样简单的信道模型中，这个系统的安全容量可以表示为源节点与目的节点之间的信道容量、和源于窃听节点之间信道容量的差异。但是一旦窃听信道条件比合法信道条件好，安全容量即为零，也就是说窃听者将成功得到源节点发的信息。

随着无线通信的发展，可以克服这些问题的安全传输方法应运而生，即采用多天线系统或加强节点之间相互合作，以及采用不同的合作方法等方式增强通信系统的可靠性。多天线系统由于其耗材和尺寸的限制，这样的网络节点并不能被优先考虑。在这样的背景下，节点之间协作通信成为一个有效加强单天线系统性能的途径。

近年来，由于压缩感知技术可以以远低于奈奎斯特采样率的速率对信号进行无失真恢复而受到越来越多人的关注，将压缩感知技术与协作通信技术联合用于无线传感网络的研究也越来越多。但是，大多数研究人员在源编码中使用压缩感知技术来提高传输效率，但一般这些工作考虑的场景都是三终端网络，也就是没有窃听者的情况。之后压缩感知被作为源节点加密密钥应用在通信网络安全问题中，即编码矩阵在源节点和合法接收者之间共享，而窃听者对于密钥是未知的，把压缩感知看成预编码-解码过程。在这些模型中，压缩感知与中继协作共同作用以提高网络的吞吐量或传输速率。

在无线传感器网络中，由于在同一时刻不是所有的感知节点都会发送信息，所以如果将所有扮演源节点的感知节点在同一时刻看作一个整体，则它们发送的信号就是稀疏的。然而，由于无线传感器网络具有分散的属性，因此单源的点对点通信场景不能直接应用。无线传感网络中由于某些节点的不确定性，例如：窃听节点距离源节点的距离近于中继节点等，其他节点对于这些窃听节点距离信息和信道条件不一定是完全可知的。不同于将压缩感知单纯用在源节点加密源信号，他们将多个源节点到多个中继节点的传输矩阵看作压缩感知中的测量矩阵，以此作为实现安全性的新方法。

由于来自源的中继转发的信号已被测量矩阵压缩，而窃听者的计算能力是有限的，难以找到正确的测量矩阵来解码出原始的源信号。基于此，有人提出了压缩感知放大转发模型。但是放大转发会将信号中的噪声一起放大，使得信号质量下降，因此，本申请提出了压缩感知解码转发的数据传输方案。

发明内容

本发明提供了一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，本发明应用于无线传感器网络，解决窃听节点个数和位置的不确定性带来的信道容量变化的特性，从而有效地保障系统安全性，提高系统的安全容量，保证数据能够有效地、安全地传输至目的节点，详见下文描述：

一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，所述数据传输方法包括以下步骤：

根据协作压缩解码转发的数据传输模型，多个活跃源节点以广播形式发送信息给所有中继节点，将所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵作为压缩感知技术中的测量矩阵；

每个中继节点对所接收到的来自于多个活跃源节点的叠加信息用解码转发方式进行恢复，将解码后的信息转发给同一目的节点；

目的节点分别对来自不同中继节点的信息进行存储，用重构算法对接收到的中继信号进行恢复重构；

获取整个系统的主信道容量、窃听信道的容量，两者的差值为系统安全容量。

所述协作压缩解码转发的数据传输模型具体为：

无线传感器网络中含有A个源节点S、N个中继节点R和Z个窃听节点E，其中有K个源节点是活跃的；

窃听节点的数量和位置都是在变化，不断地对从活跃源节点发送出的信息进行窃听；

源节点到中继节点的信道，以及中继节点到目的节点的信道被看作是主信道；

所有的节点都限制最大传输功率，用于数据传输。

所述所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵具体为：

其中，α₁表示第一时隙信号传输的路径损耗，H_SR表示源节点与中继节点之间的高斯信道矩阵。

所述系统安全容量具体为：

C_S＝[C_M-C_E]⁺＝[min{I(X(t)；Y_R|X_R),I(X_R；Y_D)}-I(X(t)；Y_E)]⁺

其中，[·]⁺表示与0相比的最大值；C_M为主信道容量；C_E为窃听信道的容量；X(t)为所有源节点在第一时隙发送的数据；Y_R为所有中继节点R在这一时隙接收到的信息；X_R表示所有中继节点经过解码之后在第二时隙发送的信息；Y_D为目的节点接收的信息；Y_E表示窃听得到的信息；I(X(t)；Y_R|X_R)为源节点到中继节点之间的互信息量；I(X_R；Y_D)为中继节点R与目的节点D之间的互信息量；I(X(t)；Y_E)为所有源节点在t时刻发送的消息与窃听节点获取到的信息之间的互信息量。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本方法将从源节点到中继节点的协作传输矩阵作为压缩感知中的测量矩阵，研究了解解码转发协作方式对由多源、多中继和多窃听节点组成的系统安全容量的影响，使系统能在不需要知道窃听信道条件的情况下达到更高的安全容量；

2、基于压缩感知技术，在保证信号能够准确重构的前提下，对基于压缩感知的多中继节点、窃听节点协作通信系统的安全容量做了分析；

3、由于利用了压缩感知技术，窃听节点无法在短时间内得到正确的测量矩阵，从而保障了系统的安全性，提高系统的安全容量，增强整个系统的性能。

附图说明

图1为一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法的流程图；

图2为协作压缩解码转发的数据传输模型的示意图；

图3为不同窃听信道条件对安全容量的影响的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，参见图1，该数据传输方法包括以下步骤：

101：根据协作压缩解码转发的数据传输模型，多个活跃源节点以广播形式发送信息给所有中继节点，将所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵作为压缩感知技术中的测量矩阵；

102：每个中继节点对所接收到的来自于多个活跃源节点的叠加信息用解码转发方式进行恢复，将解码后的信息转发给同一目的节点；

103：目的节点分别对来自不同中继节点的信息进行存储，用重构算法对接收到的中继信号进行恢复重构；

104：获取整个系统的主信道容量、窃听信道的容量，两者的差值为系统安全容量。

具体实现时，中继节点无需对接收到的信号进行重构，只需尽可能将收到的来自多个源节点的叠加信息恢复出来再进行转发，只有目的节点预先知道正确的测量矩阵，而窃听节点对其一无所知。

在这种情况下窃听节点即使窃听了中继节点转发的信息也无法进行正确的重构，因此窃听节点只窃听来自于活跃的源节点的信息。而由于源节点到窃听节点之间的传输矩阵也可以看作是压缩感知理论中的测量矩阵，窃听节点在短时间内无法得到正确的测量矩阵，因此可以有效保障系统的安全性。

综上所述，本发明实施例解决了窃听节点个数和位置的不确定性带来的信道容量变化的特性，有效地保障系统安全性，提高系统的安全容量，保证数据能够有效地、安全地传输至目的节点。

实施例2

下面结合具体的计算公式、图2和图3对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：在无线传感器网络中的多个活跃源节点以广播形式发送信息给所有中继节点，各中继节点和各窃听节点之间不进行信息传递，同时无线传感器网络中的多个窃听节点也会收到这些信息；

参见图2，协作压缩解码转发的数据传输模型包括：假设无线传感器网络中含有A个源节点S、N个中继节点R和Z个窃听节点E。i＝{1,2,…,A}用来表示不同的源节点S，其中有K个源节点S是活跃的，j＝{1,2,…N}用来表示不同的中继节点R，其中K＜＜N＜A，k＝{1,2,…Z}用来表示不同的窃听节点E。窃听节点E的数量和位置都是在变化的，并不断地对从活跃源节点S发送出的信息进行窃听。源节点S到中继节点R的信道，以及中继节点R到目的节点D的信道被看作是主信道，主信道容量为C_M，C_E表示的是窃听节点E的信道容量，单位是比特/秒/赫兹(bits/s/Hz)。所有的节点都限制最大传输功率，用于数据传输。

其中，源节点S的总发射功率为中继节点R的总转发功率为每个源节点的发送功率为P_S，每个中继节点的发送功率为P_R。

202：每个中继节点R对所接收到的来自于多个活跃源节点S的叠加信息用解码转发方式进行恢复，最大程度保证转发的叠加信息没有受到噪声等因素影响；

203：所有中继节点R将解码后的信息转发给同一目的节点D，目的节点D分别对来自不同中继节点R的信息进行存储；

204：目的节点D用重构算法对接收到的中继信号进行恢复重构。

由于在协作压缩解码转发的数据传输模型中将所有源节点S看作是一个整体，而同一时刻只有少部分活跃源节点S发送信息，因此所有源节点S发送出的信号可以被看作是稀疏信号。因此目的节点D只需用重构算法重构即可得到原始信号。

205：计算系统的安全容量。

假设将所有源节点S在第一时隙发送的数据表示为X(t)，将所有中继节点R在这一时隙接收到的信息表示为Y_R，用X_R表示所有中继节点R经过解码之后在第二时隙发送的信息，用Y表示目的节点D接收的信息，用Y_E表示窃听得到的信息。

假定所有源节点S与所有中继节点R之间的信道矩阵为α₁表示第一时隙信号传输的路径损耗，H_SR表示源节点S与中继节点R之间的高斯信道矩阵。由于矩阵Φ^DF中的高斯元素可以满足压缩感知技术中对测量矩阵的要求，即测量矩阵应该满足限制等距性条件(RIP)，因此信号传输矩阵Φ^DF(其中，此处的信道矩阵Φ^DF中的DF整体表示解码转发机制，即decode-and-forward)可以被看作是压缩感知技术中的测量矩阵。

中继节点R与目的节点D之间的并行信道矩阵为α₂表示第二时隙信号传输的路径损耗，H表示中继节点R与目的节点D之间的高斯信道矩阵；源节点S与窃听节点E之间的信道矩阵α₃表示窃听的路径损耗，H_SE表示源节点S与窃听节点E之间的高斯信道矩阵。

1)获取整个系统的主信道容量；

用I(X(t)；Y_R|X_R)表示源节点S到中继节点R之间的互信息量，则：

其中，γ表示节点控制矩阵，用来控制活跃源节点S的个数从而满足压缩感知理论中信号稀疏性的要求；P′表示中继节点R没有完全解码所造成的转发信号与正确的叠加源信号之间功率的差异，即为P′＝P_S-P_R；[Φ^DF]_j表示信道矩阵Φ^DF的第j行，表示其转置；为中继节点R处的噪声功率。

类似地，用I(X_R；Y_D)表示中继节点R与目的节点D之间的互信息量，则：

其中，[H_RD]_j,j表示方阵H_RD的第j行第j列；为目的节点D处的噪声功率。

从而，主信道容量可以表示为：

C_M＝min{I(X(t)；Y_R|X_R),I(X_R；Y_D)}

2)获取窃听信道的容量：

其中，I(X(t)；Y_E)为所有源节点S在t时刻发送的消息与窃听节点E获取到的信息之间的互信息量；表示矩阵第k行，表示其转置；表示窃听节点E处的噪声功率。

3)获取系统安全容量。

C_S＝[C_M-C_E]⁺＝[min{I(X(t)；Y_R|X_R),I(X_R；Y_D)}-I(X(t)；Y_E)]⁺

其中，[·]⁺表示与0相比的最大值。

综上所述，本发明实施例使用从源节点到中继节点的协作传输矩阵作为压缩感知技术中的测量矩阵，每个中继节点和每个窃听节点接收到的信息都是多个活跃源节点经过不同信道发来信息的叠加；窃听节点对于活跃源节点所经过的信道条件是未知的，因此窃听节点只有非常小的概率重构得到源信号，从而可以保障在不需要知道窃听信道条件情况下，将数据安全有效地传输至目的节点。

实施例3

下面结合图3对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

其中，图3表示了不同窃听信道条件对安全容量的影响，设定源节点S的个数为60，中继节点R的个数为50，中继节点R与源节点S之间的距离为35m，窃听节点E与源节点S之间的距离为25m，将主信道路径损耗设为2.5，窃听信道路径损耗从0.05变化到5。

为了方便比较，在此，将横坐标设为主信道与窃听信道路径损耗比，之后分别研究了窃听节点E的个数为10和25两种情况。

由图3可以看出，即使路径损耗比小于1，也就是主信道条件差于窃听信道条件时，只要窃听节点E的个数相对较少(例如为10个)，此方案依然可以实现正的安全容量。

综上所述，本发明实施例解决了窃听节点个数和位置的不确定性带来的信道容量变化的特性，有效地保障系统安全性，提高系统的安全容量，保证数据能够有效地、安全地传输至目的节点。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，其特征在于，所述数据传输方法包括以下步骤：

根据协作压缩解码转发的数据传输模型，多个活跃源节点以广播形式发送信息给所有中继节点，将所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵作为压缩感知技术中的测量矩阵；

每个中继节点对所接收到的来自于多个活跃源节点的叠加信息用解码转发方式进行恢复，将解码后的信息转发给同一目的节点；

目的节点分别对来自不同中继节点的信息进行存储，用重构算法对接收到的中继信号进行恢复重构；

获取整个系统的主信道容量、窃听信道的容量，两者的差值为系统安全容量。

2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，其特征在于，所述协作压缩解码转发的数据传输模型具体为：

无线传感器网络中含有A个源节点、N个中继节点R和Z个窃听节点E，其中有K个源节点是活跃的；

窃听节点的数量和位置都是在变化，不断地对从活跃源节点发送出的信息进行窃听；

源节点到中继节点的信道，以及中继节点到目的节点的信道被看作是主信道；

所有的节点都限制最大传输功率，用于数据传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，其特征在于，所述所有源节点与所有中继节点之间的信道矩阵具体为：

<mrow> <msup> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msup> <mo>=</mo> <msqrt> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> </msqrt> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，α₁表示第一时隙信号传输的路径损耗，H_SR表示源节点与中继节点之间的高斯信道矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知和解码转发的数据传输方法，其特征在于，所述系统安全容量具体为：

C_S＝[C_M-C_E]⁺＝[min{I(X(t)；Y_R|X_R),I(X_R；Y_D)}-I(X(t)；Y_E)]⁺

其中，[·]⁺表示与0相比的最大值；C_M为主信道容量；C_E为窃听信道的容量；X(t)为所有源节点在第一时隙发送的数据；Y_R为所有中继节点R在这一时隙接收到的信息；X_R表示所有中继节点经过解码之后在第二时隙发送的信息；Y_D为目的节点接收的信息；Y_E表示窃听得到的信息；I(X(t)；Y_R|X_R)为源节点到中继节点之间的互信息量；I(X_R；Y_D)为中继节点R与目的节点D之间的互信息量；I(X(t)；Y_E)为所有源节点在t时刻发送的消息与窃听节点获取到的信息之间的互信息量。