CN108770037A - 协同单载波频域均衡系统及其物理层安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及协同单载波通信领域，尤其涉及一种能够提高该系统安全性的频域均衡系统以及其物理层安全传输方法。本发明可应用于放大转发多中继多目的多窃听的场景，先由每个中继节点分别比较选择出自己最佳服务的目的节点，然后各中继节点分别计算各自对应的安全容量因子并分别反馈给源节点。源节点通过比较该安全容量因子，即可最终筛选出全局最优的中继节点和目的节点的通信链路。由于分布式的计算方式，本发明能够充分利用系统中全部的信道状态信息对整个通信链路进行全局的比较，从而在降低系统开销的同时筛选出全局最优的中继‑目的节点对，实现最大安全容量信息传输。

Description

协同单载波频域均衡系统及其物理层安全传输方法
技术领域
本发明涉及协同单载波通信领域，尤其涉及一种提高协同单载波通信安全性的方法及相应系统。
背景技术
无线宽带通信的广泛运用，给人民生活带来了巨大便利，其中，单载波频域均衡技术在短波、毫米波等通信系统中有着重要应用。无线通信广播式的传播方式以及开放的网络架构导致信号在传播时处于暴露状态，增加了数据被窃取的危险。随着越来越多的个人信息通过这种无处不在的无线连接在空中传播，无线通信的安全性能也引起人们越来越多的关注。在传统的通信中，数据传输的安全服务由上层协议中加解密技术提供。然而，频繁的密钥的分发和管理在无线通信系统中开销巨大，尤其是在通信节点众多、信息交互频繁的网络系统中，更高级别的安全服务往往更为繁杂并且需要更大的能耗代价，这对于移动终端而言是难以接受的。
近来，物理层安全技术吸引着众多研究者的关注。A.D.Wyner在“The wire-tapchannel.Bell Syst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”中指出：当主链路的信道容量比窃听链路的信道容量更大时，数据可实现安全传输。以此为出发点，物理层安全技术，以信息论为理论基础，利用无线信道的物理层特性，通过适当的信道编码即可提供安全的数据传输，限制窃听者能够提取的信息。具体而言，物理层安全技术，主要利用信道差异性，通过增大主链路(源节点和目的节点间信道)的信道容量，并同时尽可能降低窃听链路(源节点和窃听节点间信道)的信道容量，以使得系统获得更大的安全容量。
具体至协同通信系统，一方面，其更为开放的网络结构使得系统更容易受窃听攻击；另一方面，协同通信系统中更为丰富的物理层资源可以为物理层安全技术提供更好的支撑，提高系统安全性能。
物理层安全技术与协同无线网络相结合，可在利用协同技术实现网络覆盖、频谱效率和无线通信系统容量的扩展的同时，进一步的提高信息安全。
虽然，目前协同无线通信系统的物理层安全技术研究已经硕果累累。Wang Lifeng等人在“Security enhancement of cooperative single carrier systems,in IEEETransactions on Information Forensics&Security,vol.10,no.1,Oct.2015,pp.90-103”一文中，针对存在多窃听节点的多中继、多目的节点单载波频域均衡系统，提出了一种物理层安全技术。
但是，该技术仅能够在局部节点间实现对系统信息安全的优化：该技术首先以最小化窃听节点的接收信噪比为主要目标项，根据该目标选择适当的中继节点，再以该中继节点筛选能够实现最佳接收的目的节点，进行数据传输。该技术，虽然在一定程度上能够为系统提供更为良好的安全性能。但是，由于该方案在获知中继与目的节点、中继与窃听节点之间所有链路的CSI(Channel State Information，信道状态信息)时，均需要上传至源节点，并依赖于源节点的计算能力，因此，该方法对系统资源的消耗巨大。而且，该技术先利用窃听链路CSI选择中继，再利用主链路CSI选择目的节点，在两次选择中都仅考虑系统中局部的CSI，并不能获得全局最优的安全容量。该技术对系统全局安全容量的优化还需进一步提升。
因此，针对上述缺陷，本发明针对CSI完全已知的系统场景，设计一种新的中继-目的节点选择方案，在限制对系统性能的影响下，充分利用系统中全局的CSI，进一步提高系统的物理层安全性能。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是为多中继、多目的节点的单载波频域均衡系统，提出一种用于协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法。
本发明针对类似CSI完全已知的系统场景，设计一种新了中继-目的节点选择方案，能够实现最大安全容量传输
技术方案：针对包括一个源节点S，K个中继节点Rk，k∈[1,K]，Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]，和N个窃听节点En，n∈[1,N]，的协同单载波频域均衡系统。该系统在通信过程中，数据由所述源节点S发送至从所述K个中继节点Rk中选择的转发节点Rk'，由中所述转发节点Rk'接收所述数据，放大并转发至由所述Q个目的节点Dq中选择的服务目标节点Dq'。
由于源节点与目的节点、源节点与窃听节点之间信道存在深衰落，不能直接通信；系统中源节点S仅能与中继节点Rk之间通信，且源节点与中继节点之间的信道状态良好且稳定，数据由选定中继节点Rk'放大转发至一个选定服务目的节点Dq'。其间，窃听节点窃听转发的信号。系统中所有节点都为合法的注册用户，但所讨论的数据传输中，源节点、中继节点、窃听节点所具有的通信保密级别更高，其通信内容不希望被保密级别较低的窃听节点获取。系统中所有的用户都配置单天线，工作在半双工模式下。
本发明利用中继-目的节点选择方法来提高信息的传输安全，其具体选择所述转发节点Rk'、所述服务目标节点Dq'的步骤如下：
第一步，所述源节点S、各中继节点Rk分别对其所在的全部通信信道进行估计，所述源节点S、各中继节点Rk分别获得所述协同单载波频域均衡系统中与其相关的全部的信道参数；
第二步，各中继节点Rk分别根据与其相关的所述各信道参数选择具有最大接收信噪比的目的节点Dq'为其服务目标节点，并计算此时全部窃听节点的最大信噪比；各中继节点Rk分别根据所述其到目的节点Dq'的所述最大接收信噪比以及此时其到全部窃听节点的最大信噪比，计算其与服务目标节点Dq'对应的安全容量因子各中继节点Rk反馈其对应的所述安全容量因子ωk至所述源节点S；其中，表示所述中继节点Rk到目的节点Dq'的所述最大接收信噪比，表示此时中继节点Rk到全部窃听节点的最大信噪比；
第三步，源节点S根据各中继节点Rk反馈的所述安全容量因子ωk选择其中具有最大的安全容量因子的中继节点Rk'为其转发节点。
由此，所述源节点S向所述转发节点Rk'发送数据；所述转发节点Rk'接收所述源节点S发送的数据，并向其服务目标节点Dq'转发，所述服务目标节点Dq'接收并还原所述数据，实现通信。
上述方法中，所述源节点S、各中继节点Rk分别获得所述协同单载波频域均衡系统中与其相关的全部的信道参数，包括：
所述源节点S获得其与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间的信道参数{s1,...,sk,...,sK}，其中，sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数，所述源节点S与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间的信道存在多径分量，所述源节点S与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间信道长度同为N0；
所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}分别获得其与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间的信道参数{gk,1,...,gk,q,...,gk,Q}，其中，gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间的信道存在多径分量，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间信道长度同为N1；
所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}还分别获得其与各窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的信道参数{hk,1,...,hk,n,...,hk,N}，其中，hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的信道存在多径分量，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间信道长度同为N2；
所述源节点S与各中继节点Rk之间、所述各中继节点Rk与所述各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间、所述各中继节点Rk与所述各窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的各信道上均存在加性高斯白噪声，所述加性高斯白噪声均服从均值为零、方差为σn 2的复高斯分布。
上述方法中，所述源节点S发送的数据按照如下步骤获得：
步骤S1，以长度M将待发送数据拆分为至少一个数据块；
步骤S2，将拆分后的各数据块进行调制，所述每一个数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，满足Ex{x}＝0，x∈CM×1∈{-1,1}M，Ex{xxH}＝IM，其中Ex{·}表示对向量x求期望操作，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭；
步骤S3，所述源节点S在每一组所述调制数据符号向量x前端均分别附加循环前缀，形成所述源节点S发送的数据；其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
所述最大接收信噪比其中，k＝1,2,...,K q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
所述全部窃听节点的最大信噪比其中，k＝1,2,...,Kn＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数。
本发明还同时提供一种协同单载波频域均衡系统，包括1个源节点S，K个中继节点Rk，k∈[1,K]，Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]和N个窃听节点En，n∈[1,N]，所述源节点S选择一中继节点Rk作为转发节点Rk'，以源节点发射功率PS向所述转发节点Rk'发射信号；所述转发节点Rk'接收所述信号，选择一目的节点Dq作为服务目标节点Dq'，并以转发功率PR向所述服务目标节点Dq'转发所述信号，其特征在于，所述转发节点Rk'对应的安全容量因子最大；其中，表示此时全部窃听节点的最大信噪比，其中，k＝1,2,...,K，n＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数；
表示最大接收信噪比，其中，k＝1,2,...,K q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
上述的系统中，所述源节点S发射的信号包括数据块以及循环前缀；
其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
其中，所述数据块长度为M，所述每一数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，满足Ex{x}＝0，Ex{xxH}＝IM，其中Ex{x}表示对向量x求期望，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭。
具体，上述系统中，所述中继节点Rk包括信号处理单元，用于计算在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比计算在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比并计算所述安全容量因子ωk；
所述中继节点Rk工作于半双工状态，所述半双工状态包括向所述源节点S反馈所述安全容量因子ωk。
有益效果：
1、安全性能好。不同于已有文献中仅利用部分CSI单独进行中继或目的节点的选择，本发明充分利用了系统中全部的CSI，进行全局最优的比较。通过设立安全容量因子作为整体考量指标，能够综合反映全局范围内，从源节点到中继节点最终至转发节点整个通信链路的安全状况。由此，可以对完整的通信链路进行评估，选择出全局最优的中继-目的节点对，实现全系统范围内最大安全容量信息传输。
2、分布式执行。本发明采用的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法中，每个中继节点首先比较选择出最佳服务的目的节点，然后计算该通信链路下(从源节点到中继节点再转发至目的节点)全局的安全容量因子。各中继节点分布式地进行与其相关的链路的全局安全容量因子的计算，最后分别将计算结果反馈给源节点。由此，源节点只需要对中继节点上传的全局安全容量因子进行比较，通过简单的比较排列的步骤，即可选择出全局视野下安全容量因子最大的中继节点，实现中继-目的节点对的选择和对系统安全性能的全局优化。这种分布式的计算方式，不同于现有的，将所有CSI反馈至源节点，由源节点统一计算并最终进行选择的方法。本发明将目的节点的选择交由中继节分布进行，源节点仅需对分布计算的结果进行筛选，即可选择出全局最优的通信链路。这样的方式，一方面能够减少CSI的反馈量，另一方面还可节约单个节点(尤其是源节点)上计算比较的运算量，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明所述单源、多中继、多目的、多窃听节点单载波频域均衡系统安全通信场景示意图；
图2是本发明协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输的完整流程图；
图3是本发明的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法的安全中断概率在不同中继节点数下，随着中继节点与目的节点间信道信噪比变化的示意图；
图4是本发明的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法的安全中断概率在不同目的节点数下，随着中继节点与目的节点间信道信噪比变化的示意图。
具体实施方式
本发明首先提供一种协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其基于的系统可参考图1所示，包括：
一个源节点S，K个中继节点Rk，k∈[1,K]，Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]，和N个窃听节点En，n∈[1,N]，的协同单载波频域均衡系统。该系统在通信过程中，数据由所述源节点S发送至从所述中继节点Rk中选择的转发节点Rk'，由中所述转发节点Rk'接收所述数据，放大并转发至由所述目的节点Dq中选择的服务目标节点Dq'。所述协同单载波频域均衡系统中，所述窃听节点En，窃听转发的所述数据；所述源节点S与所述目的节点Dq、所述源节点S与所述窃听节点En之间的信道均存在深衰落，不能直接通信；所述源节点S与所述中继节点Rk之间具有良好的稳定的信道；所述源节点S、中继节点Rk、目的节点Dq以及窃听节点En均配置单天线，所述源节点S、中继节点Rk、目的节点Dq以及窃听节点En均工作在半双工模式下。
本发明所提供的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其具体步骤如下：
第一步，所述源节点S、各中继节点Rk分别对其所在的全部通信信道进行估计，信道估计方法可以采用各种常规信道估计算法，如最小二乘估计(LS，Least Square，最小二乘法)等，所述源节点S、各中继节点Rk分别获得所述协同单载波频域均衡系统中与其相关的全部的信道参数，尤其，各中继节点Rk还分别对其与各窃听节点之间的信道进行估计；
第二步，各中继节点Rk分别根据与其相关的所述各信道参数选择具有最大接收信噪比的目的节点Dq'为其服务目标节点，形成中继-目的节点对具体选择服务目的节点的索引为计算此时全部窃听节点的最大信噪比；各中继节点Rk分别根据所述最大接收信噪比以及此时全部窃听节点的最大信噪比计算其与服务目标节点Dq'对应的安全容量因子各中继节点Rk反馈所述安全容量因子ωk至所述源节点S；其中，表示所述最大接收信噪比，表示此时全部窃听节点的最大信噪比；
第三步，源节点S根据各中继节点Rk反馈的所述安全容量因子ωk选择其中具有最大的安全容量因子的中继节点Rk'为其转发节点，向所述转发节点Rk'发送数据；其中k'＝argmaxk∈[1,K](ωk)；
第四步，所述转发节点Rk'接收所述源节点S发送的数据，并向其对应的中继-目的节点对中的服务目标节点Dq'转发，所述服务目标节点Dq'接收并还原所述数据，实现通信。这里所选出的中继-目的节点对由于利用了系统中全局CSI，因而可以保证能够实现最大安全容量传输。
上述方法中，所述第一步中，所述协同单载波频域均衡系统内全部信道的信道状态包括：源节点S获得其与中继节点之间的信道{s1,...,sk,...,sK}，源节点与中继节点之间的信道存在多径分量，信道长度同为N0，即 其中p＝1,2,...,N0表示各个多径信道分量；各个中继分别获得其与各目的节点之间的信道，具体地，第k个中继节点Rk(k＝1,2,...,K)获得Rk与目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间的信道{gk ,1,...,gk,q,...,gk,Q}，中继节点与目的节点之间的信道存在多径分量，信道长度同为N1，也即 其中i＝1,2,...,N1表示各个多径信道分量；此外，各个中继分别获得其与窃听的节点之间的信道，具体地，第k个中继节点Rk(k＝1,2,...,K)获得Rk与窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的信道{hk,1,...,hk,n,...,hk,N}，中继节点与窃听节点之间的信道存在多径分量，信道长度同为N2，也即 其中j＝1,2,...,N2表示各个多径信道分量。所述源节点S与各中继节点Rk之间、所述各中继节点Rk与所述各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间、所述各中继节点Rk与所述各窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的各信道上均存在加性高斯白噪声，所述加性高斯白噪声均服从均值为零、方差为的复高斯分布。
上述方法中，所述第三步或所述第四步中，所述源节点S发送的数据按照如下步骤获得：
步骤S1，以长度M将待发送数据拆分为至少一个数据块；
步骤S2，将拆分后的各数据块进行调制，所述每一个数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，数据调制满足Ex{x}＝0，Ex{xxH}＝IM，具体，可以采用BPSK(BinaryPhase Shift Keying，二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控(Quadrature Phase ShiftKeying)等调制方式，其中Ex{·}表示对向量x求期望操作，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭；
步骤S3，所述源节点S在每一组所述调制数据符号向量x前端均分别附加循环前缀，形成所述源节点S发送的数据；其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
步骤S3中，源节点在将要发送的数据x前附加循环前缀，以功率PS发送给中继节点Rk'；中继节点Rk'以分配的功率PR向目的节点Dq'转发。
所述最大接收信噪比其中，k＝1,2,...,K q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
所述全部窃听节点的最大信噪比其中，k＝1,2,...,K n＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数。
将上述方法具体应用于图1所示的系统中，本发明还同时提供一种协同单载波频域均衡系统，包括1个源节点S，K个中继节点Rk，k∈[1,K]，Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]和N个窃听节点En，n∈[1,N]。其中，源节点与目的节点、源节点与窃听节点之间信道存在深衰落，系统中源节点S仅能与中继节点之间Rk通信，且源节点与中继节点之间的信道状态良好且稳定。所述源节点S选择一中继节点Rk作为转发节点Rk'，以源节点发射功率PS向所述转发节点Rk'发射信号；所述转发节点Rk'接收所述信号，选择一目的节点Dq作为服务目标节点Dq'，并以转发功率PR向所述服务目标节点Dq'转发所述信号。系统中所有用户都为合法的注册用户，但所讨论的数据传输中，源节点、中继节点、窃听节点所具有的通信保密级别更高，其通信内容不希望被保密级别较低的窃听节点获取。系统中所有的用户都配置单天线，工作在半双工模式下。该系统中，所述转发节点Rk'对应的安全容量因子最大；
其中，表示此时全部窃听节点的最大信噪比，其中，k＝1,2,...,K，n＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数；
表示最大接收信噪比，其中，k＝1,2,...,K q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
上述的系统中，所述源节点S发射的信号包括数据块以及循环前缀；
其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
其中，所述数据块长度为M，所述每一数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，数据调制满足Ex{x}＝0，Ex{xxH}＝IM，具体，可以采用BPSK(Binary Phase ShiftKeying，二进制相移键控)、QPSK(正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying)等调制方式，其中Ex{·}表示对向量x求期望操作，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭。
具体，上述系统中，所述中继节点Rk包括信号处理单元，用于计算在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比计算在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比并计算所述安全容量因子ωk；
所述中继节点Rk工作于半双工状态，所述半双工状态包括向所述源节点S反馈。
图2给出了本发明协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法的技术方案流程图，包括信道估计与传输信息反馈、节点选择、数据传输。
图3和图4分别给出了本发明所提用于物理层安全传输方法在不同中继节点数和目的节点数条件下的安全中断概率与发送信噪比的关系图。具体的，系统中设置窃听节点数N＝3，信道长度N0＝3、N1＝3、N2＝3，发射功率PS＝PR，安全编码速率R＝1，源节点与中继节点之间信道衰落系数为α0＝30dB，中继节点与窃听节点之间的信道衰落系数为α2＝15dB。
图3中目的节点数为Q＝3，中继节点数为K＝1,2,3。图3表明中继节点与目的节点间信道质量的提升可以改善系统安全中断性能，并且中继数的增多可以明显提升系统的安全中断性能，但其性能的提升受源节点与中继节点之间信道质量的影响而分别存在上限。
图4中中继节点数为K＝3，目的节点数为Q＝1,2,3。图4表明目的节点的增多有利于提高系统的安全中断性能，但是当主信道质量足够好时，目的节点数的增多不能明显地带来系统的安全中断性能提升。
由于本发明中中继节点所采用的分布式的计算方式，本发明能够充分利用系统中全部的信道状态信息对整个通信链路进行全局的比较，从而在降低系统开销的同时筛选出全局最优的中继-目的节点对，因而能够提供全局最优的物理层安全传输。

Claims (9)

1.一种协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，
所述协同单载波频域均衡系统包括：
一个源节点S，
K个中继节点Rk，k∈[1,K]，
Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]，和
N个窃听节点En，n∈[1,N]；
所述协同单载波频域均衡系统通信过程中，数据由所述源节点S发送至从所述K个中继节点Rk，k∈[1,K]，中选择的转发节点Rk'，由所述转发节点Rk'接收所述数据，放大并转发至由所述Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]，中选择的服务目标节点Dq'；
所述协同单载波频域均衡系统中，所述窃听节点En，n∈[1,N]，窃听转发的所述数据；所述源节点S与所述Q个目的节点Dq、所述源节点S与所述N个窃听节点En之间的信道均存在深衰落，不能直接通信；所述源节点S与所述中继节点Rk之间具有良好的稳定的信道；所述源节点S、中继节点Rk、目的节点Dq以及窃听节点En均配置单天线，所述源节点S、中继节点Rk、目的节点Dq以及窃听节点En均工作在半双工模式下；其特征在于，选择所述转发节点Rk'、所述服务目标节点Dq'的步骤包括：第一步，所述源节点S、各中继节点Rk分别对其所在的全部通信信道进行估计，所述源节点S、各中继节点Rk分别获得所述协同单载波频域均衡系统中与其相关的全部的信道参数；
第二步，各中继节点Rk分别根据与其相关的所述各信道参数，选择具有最大接收信噪比的目的节点Dq'为其服务目标节点，并计算此时全部窃听节点的最大信噪比；各中继节点Rk分别根据其到目的节点Dq'的所述最大接收信噪比以及此时其到全部窃听节点的最大信噪比，计算其与服务目标节点Dq'对应的安全容量因子各中继节点Rk反馈其对应的安全容量因子ωk至所述源节点S；其中，表示所述中继节点Rk到目的节点Dq'的所述最大接收信噪比，表示此时中继节点Rk到全部窃听节点的最大信噪比；
第三步，源节点S根据各中继节点Rk反馈的所述安全容量因子ωk选择其中具有最大的安全容量因子的中继节点Rk'为其转发节点。
2.如权利要求1所述的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其特征在于，所述源节点S、各中继节点Rk分别获得所述协同单载波频域均衡系统中与其相关的全部的信道参数，包括：
所述源节点S获得其与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间的信道参数{s1,...,sk,...,sK}，其中，sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数，所述源节点S与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间的信道存在多径分量，所述源节点S与各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}之间信道长度同为N0；
所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}分别获得其与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间的信道参数{gk,1,...,gk,q,...,gk,Q}，其中，gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间的信道存在多径分量，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间信道长度同为N1；
所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}还分别获得其与各窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的信道参数{hk,1,...,hk,n,...,hk,N}，其中，hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的信道存在多径分量，所述各中继节点{R1,...,Rk,...,RK}与窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间信道长度同为N2；
所述源节点S与各中继节点Rk之间、所述各中继节点Rk与所述各目的节点{D1,...,Dq,...,DQ}之间、所述各中继节点Rk与所述各窃听节点{E1,...,En,...,EN}之间的各信道上均存在加性高斯白噪声，所述加性高斯白噪声均服从均值为零、方差为的复高斯分布。
3.如权利要求1所述的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其特征在于，所述源节点S发送的数据按照如下步骤获得：
步骤S1，以长度M将待发送数据拆分为至少一个数据块；
步骤S2，将拆分后的各数据块进行调制，所述每一数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，x∈CM×1∈{-1,1}M，满足Ex{x}＝0，Ex{xxH}＝IM，其中Ex{·}表示对向量x求期望操作，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭；
步骤S3，所述源节点S在每一个所述调制数据符号向量x前端均分别附加循环前缀，形成所述源节点S发送的数据；其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
4.如权利要求1所述的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其特征在于，所述最大接收信噪比其中，k＝1,2,...,K，q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
5.如权利要求1所述的协同单载波频域均衡系统的物理层安全传输方法，其特征在于，所述全部窃听节点的最大信噪比其中，k＝1,2,...,K，n＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数。
6.一种协同单载波频域均衡系统，包括1个源节点S，K个中继节点Rk，k∈[1,K]，Q个目的节点Dq，q∈[1,Q]，和N个窃听节点En，n∈[1,N]，所述源节点S选择一中继节点Rk作为转发节点Rk'，以源节点发射功率PS向所述转发节点Rk'发射信号；所述转发节点Rk'接收所述信号，选择一目的节点Dq作为服务目标节点Dq'，并以转发功率PR向所述服务目标节点Dq'转发所述信号，其特征在于，所述转发节点Rk'对应的安全容量因子最大；
其中，表示此时全部窃听节点的最大信噪比，其中，k＝1,2,...,K，n＝1,2,...,N，任一表示在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α2表示中继节点Rk与窃听节点En之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
hk,n表示第k个中继节点Rk与第n个窃听节点En之间的信道参数；
表示最大接收信噪比，其中，k＝1,2,...,K q＝1,2,...,Q，
任一表示在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比，其中，
PS表示源节点发射功率；
PR表示表示中继节点Rk的发射功率；
α0表示源节点S与中继节点Rk之间的路径损耗；
α1表示表示中继节点Rk与目的节点Dq之间的路径损耗；
表示信道上加性高斯白噪声的方差；
sk表示所述源节点S与第k个中继节点Rk之间的信道参数；
gk,q表示第k个中继节点Rk与目的节点Dq之间的信道参数。
7.如权利要求6所述的协同单载波频域均衡系统，其特征在于，所述源节点S发射的信号包括数据块以及循环前缀；
其中，所述循环前缀长度为其中，为所述源节点S与所述转发节点Rk'之间的信道长度，所述转发节点Rk'与所述服务目标节点Dq'之间的信道长度。
8.如权利要求7所述的协同单载波频域均衡系统，其特征在于，所述源节点S发射的所述数据块长度为M，所述每一数据块分别对应一个M×1维的调制数据符号向量x，x∈CM×1∈{-1,1}M，满足Ex{x}＝0，Ex{xxH}＝IM；
其中，Ex{x}表示对向量x求期望，IM表示M阶单位矩阵，xH表示调制数据符号向量x的共轭。
9.如权利要求7所述的协同单载波频域均衡系统，其特征在于，所述：中继节点Rk包括信号处理单元，用于计算在中继节点Rk转发时目的节点Dq的接收信噪比计算在中继节点Rk转发时窃听节点En的接收信噪比并计算所述安全容量因子ωk；
所述中继节点Rk工作于半双工状态，所述半双工状态包括向所述源节点S反馈所述安全容量因子ωk。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113783598A (zh) * 2021-08-23 2021-12-10 华东师范大学 一种多用户多中继星地融合的网络传输方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105657700A (zh) * 2016-03-10 2016-06-08 南京邮电大学 基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法
CN107302513A (zh) * 2017-06-04 2017-10-27 西安征途网络科技有限公司 适用于tdd sc‑fde的宽带无线传输系统的物理层帧结构

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105657700A (zh) * 2016-03-10 2016-06-08 南京邮电大学 基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法
CN107302513A (zh) * 2017-06-04 2017-10-27 西安征途网络科技有限公司 适用于tdd sc‑fde的宽带无线传输系统的物理层帧结构

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DECHUAN CHEN: "Physical Layer Security in Cognitive Untrusted Relay Networks", 《IEEE》 *
胡雅洁: "协同SC_FDE系统中基于RS的D_STBC传输方案设计", 《军事通信技术》 *
陈剑: "射频能量采集非可信中继系统物理层安全传输", 《计算机工程与应用》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113783598A (zh) * 2021-08-23 2021-12-10 华东师范大学 一种多用户多中继星地融合的网络传输方法
CN113783598B (zh) * 2021-08-23 2023-02-17 华东师范大学 一种多用户多中继星地融合的网络传输方法

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