CN108809365B - 一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法，在第一时隙，基于中继到目的用户链路选择一个基于接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，其他用户节点作为窃听用户节点；所述信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点，同时所述合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点；在第二时隙，中继节点采用可变增益放大转发协议将第一时隙接收到的信息进行放大，并将该信息转发到目的用户节点；合法用户节点但继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点。本发明通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。

Description

一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信物理层安全领域，具体涉及一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法。
背景技术
物理层安全从信息论的角度出发，充分利用无线信道的各种传播特性，在物理层来解决通信过程中的信息安全问题。与密钥加密的方式相比，物理层安全有着很多优点，比如无需复杂度很高的算法、有着明确的安全性能评判标准等等。在数据保密方面，物理层安全技术作为密钥加密技术的一个补充或替代，己经受到了越来越多的关注。通过在物理层对信息进行处理，可以从根本上确保信息的安全性。因此，物理层安全问题的研究是无线通信信息安全发展的必然趋势，是进一步提高信息安全性的有效途径。
协作加扰技术是一项广泛应用的技术，它适用于中继网络，在中继网络里，目的节点发送加扰信号给中继，中继经过处理放大转发加扰信号广播至信宿，由于目的节点已知加扰信号，故可进行消除，而窃听者无法提前获知加扰信号信息，进而达到干扰的效果，从而提高了通信系统的安全性能。
多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。
经调研后发现，目前在物理层安全性能研究框架背景下，存在协作加扰技术与全双工技术相结合的研究，存在多用户分集技术与半双工技术相结合的研究，但缺乏融合协作加扰技术、多用户分集技术以及全双工技术的物理层安全性能相关研究。
发明内容
本专利提出了一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法,其降低了窃听信道的接收信噪比，提升了网络的安全性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法，其应用于多用户中继网络中，该多用户中继网络包含信源节点、中继节点以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，所述目的用户节点采用全双工工作模式；所述传输方法包括第一时隙和第二时隙的传输，具体如下：
在第一时隙，基于中继到目的用户的链路选择一个基于接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，其他用户节点作为窃听用户节点；
所述信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点，同时所述合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点；
在第二时隙，中继节点采用可变增益放大转发协议将第一时隙接收到的信息进行放大，并将该信息转发到目的用户节点；
合法用户节点但继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点。
所述传输方法具体包括以下步骤：
步骤1、在第一时隙，基于中继到目的用户链路的选择一个基于接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，则合法用户为
Figure GDA0001767715850000031
其中D＝{D1,...,DM}，表示为M个用户的集合，M为信宿的数量，
Figure GDA0001767715850000032
表示中继节点与目的用户节点间的信道系数，窃听用户表示为
Figure GDA0001767715850000033
其中
Figure GDA0001767715850000034
表示中继与潜在窃听者间的信道系数；
步骤2、在第一时隙，信源节点向中继节点和目的用户节点发送信息，同时合法用户节点向中继节点和窃听用户节点发送干扰信号；
中继接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000035
其中XS表示发送信号，XJ表示加扰信号，hSR表示信源节点与中继节点间的信道系数，hBR表示合法用户节点与中继节点间的信道系数，nR表示单位方差的加性白高斯噪声；
合法用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000036
其中hSD表示信源节点与目的用户节点间的信道系数，hLI表示目的用户节点的自干扰的信道系数，
Figure GDA0001767715850000041
表示单位方差的加性白高斯噪声；
窃听用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000042
其中hBε表示合法用户节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000043
为单位方差的加性白高斯噪声；
步骤3、在第二时隙，中继节点采用放大转发协议转发第一时隙接收到的信息到目的用户节点，同时，合法用户节点继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点；
中继节点的发送信号表示为XR＝βfyR，其中βf为中继的放大转发因子，表示为
Figure GDA0001767715850000044
其中PR为中继节点发送功率，表示为PR＝βP。
合法用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000045
其中，hRB表示中继节点与合法用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000046
为单位方差的加性白高斯噪声。
窃听用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000047
其中，XR表示中继节点的发送信号，hRε表示中继节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000048
表示单位方差的加性白高斯噪声；
由于信源节点和中继节点通过正交信道传输信号到目的节点，由此可知目的节点可采用最大比合并技术来接收两路的信号，合法用户的信噪比表示为
Figure GDA0001767715850000051
在中高的发送信噪比下，上式近似为
Figure GDA0001767715850000052
窃听用户的信噪比表示为
Figure GDA0001767715850000053
那么，系统的瞬时安全容量表示为CS＝[CB-Cε]+，其中
Figure GDA0001767715850000054
[a]+表示max(a,0)，将各个系数代入系统瞬时安全容量的表达式可得：
Figure GDA0001767715850000055
其中，
Figure GDA0001767715850000056
Figure GDA0001767715850000057
，γSR＝|hSR|2表示信源节点到中继节点的信道功率增益，γRB＝|hRB|2表示中继节点到合法用户节点的信道功率增益，γRε＝|hRε|2表示中继节点到窃听用户节点的信道功率增益，γSD＝|hSD|2表示信源节点到目的用户节点的信道功率增益，γBε＝|hBε|2表示合法用户节点到窃听用户节点的信道功率增益。
采用上述方案后，首先本发明采用机会式最优用户选择方案即基于中继到目的用户链路中的多用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，从而获得多用户分集增益并提升系统的安全性能。其次，本发明在第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的用户节点发送信息，可以提高系统的安全速率，也丰富了系统设计的复杂性，更符合实际通信场景的需求。而且，本发明在第一时隙和第二时隙，合法用户均有向窃听用户发送加扰信号，可以降低或者减小窃听用户的信噪比，提高了系统的安全容量，保障系统的安全传输性能。
总之，本发明通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的遍历安全容量随每个时隙的总发送功率增大的变化情况示意图；
图4为遍历安全容量随目的用户节点数M增大的变化情况示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明提出一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法，其应用于多用户中继网络中，该多用户中继网络包含信源节点、中继节点以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点。我们考虑目的用户节点采用全双工工作技术，存在直达路径。
本发明中，信息的整个安全传输过程分为两个时隙完成，在第一时隙，选择基于中继到目的用户链路的选择一个基于接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，其他用户节点作为窃听用户节点。且在第一时隙，信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点。由于目的用户节点处于全双工工作模式，所选的合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及其他目的用户节点。信源的发送功率为Ps＝αP，该时隙合法用户发送干扰信号功率为
Figure GDA0001767715850000071
其中，P为每个时隙的总发送功率，α(0＜α＜1)为第一时隙功率分配因子。
在第二时隙，中继节点转发信息到目的用户节点，所选的合法用户继续发送加扰信号到中继节点和窃听用户节点。中继节点发送功率PR＝βP，第二时隙合法用户发送干扰信号的功率为
Figure GDA0001767715850000072
β(0＜β＜1)为第二时隙功率分配因子。假设所有的加性高斯白噪声的功率为N。
本发明在第一时隙中，信源节点向中继节点发送信息的同时，也向目的节点发送信息，其目的是：由于存在多个目的用户节点，必然存在着被动窃听的情况，再加上每个目的用户节点都处于全双工工作模式，也就是该节点既然发送信号也能接收信号，所以就导致了在第一时隙，信源会发生信息给目的用户，该目的用户包括了选择的合法用户以及窃听用户。产生的效果以及好处主要是：可以提高系统的安全速率，另外也丰富了系统设计的复杂性，更符合实际通信场景的需求。
而在第二时隙中，合法用户节点向中继节点发送加扰信号的同时，也会向窃听用户节点发送加扰信号，其目的是：降低或者减小窃听用户的信噪比，产生的效果和好处主要是：提高了系统的安全容量，保障系统的安全传输性能。
本发明的传输方法具体包括以下步骤：
步骤1、在第一时隙，基于中继到目的用户链路的选择一个基于接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，则合法用户为
Figure GDA0001767715850000081
其中D＝{D1,...,DM}，表示为M个用户的集合，M为信宿的数量，
Figure GDA0001767715850000082
表示中继节点与目的用户节点间的信道系数，窃听用户表示为
Figure GDA0001767715850000083
其中
Figure GDA0001767715850000084
表示中继与潜在窃听者间的信道系数。
步骤2、在第一时隙，信源节点向中继节点和目的用户节点发送信息，同时合法用户节点向中继节点和窃听用户节点发送干扰信号。
那么，中继接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000085
其中XS表示发送信号，XJ表示加扰信号，hSR表示信源节点与中继节点间的信道系数，hBR表示合法用户节点与中继节点间的信道系数，nR表示单位方差的加性白高斯噪声。
合法用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000086
其中hSD表示信源节点与目的用户节点间的信道系数，hLI表示目的用户节点的自干扰的信道系数，
Figure GDA0001767715850000087
表示单位方差的加性白高斯噪声。
窃听用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000091
其中hBε表示合法用户节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000092
为单位方差的加性白高斯噪声。
步骤3、在第二时隙，中继节点采用放大转发协议转发第一时隙接收到的信息到目的用户节点，同时，合法用户节点继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点；中继节点的发送信号表示为XR＝βfyR，其中βf为中继的放大转发因子，表示为
Figure GDA0001767715850000093
其中PR为中继节点发送功率，表示为PR＝βP。
那么，合法用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000094
结合中继节点的发送信号表达式以及步骤1中关于中继接收到的信号表达式可知，合法用户接收到的信号表达式变为
Figure GDA0001767715850000095
其中，hRB表示中继节点与合法用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000096
为单位方差的加性白高斯噪声。由于合法用户已经加扰信号XJ,故可以去掉加扰信号，所以表达式可化为
Figure GDA0001767715850000097
窃听用户接收到的信号表达式为
Figure GDA0001767715850000101
其中，XR表示中继节点的发送信号，hRε表示中继节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure GDA0001767715850000102
表示单位方差的加性白高斯噪声。与上述步骤分析相同，窃听用户接收到的信号表达式变为
Figure GDA0001767715850000103
由于信源节点和中继节点通过正交信道传输信号到目的节点，由此可知目的节点可采用最大比合并技术来接收两路的信号。合法用户的信噪比表示为
Figure GDA0001767715850000104
其中根据信道的互异性可得hRB＝hBR T，在中高的发送信噪比下，可认为自干扰信道的干扰信号对接收信噪比影响非常小，可忽略不计，故上式可近似为
Figure GDA0001767715850000105
窃听用户的信噪比表示为
Figure GDA0001767715850000106
那么，系统的瞬时安全容量表示为CS＝[CB-Cε]+，其中
Figure GDA0001767715850000107
[a]+表示max(a,0)。将各个系数代入系统瞬时安全容量的表达式可得：
Figure GDA0001767715850000111
其中，
Figure GDA0001767715850000112
Figure GDA0001767715850000113
，γSR＝|hSR|2表示信源节点到中继节点的信道功率增益，γRB＝|hRB|2表示中继节点到合法用户节点的信道功率增益，γRε＝|hRε|2表示中继节点到窃听用户节点的信道功率增益，γSD＝|hSD|2表示信源节点到目的用户节点的信道功率增益，γBε＝|hBε|2表示合法用户节点到窃听用户节点的信道功率增益。
图3是展示在基于蒙特·卡洛仿真环境下，本模型和传统模型系统遍历安全容量随每个时隙的总发送功率P增大以及目的用户节点数增大时的变化情况。需要说明的是：传统模型指的是在本模型的基础上，多个目的用户节点工作模式为半双工工作模式。
从图中可以看出本模型的遍历安全容量随着P的增大而增加，且随着信宿节点的数量增大而增加，另外，还可以看出本模型的安全性能远大于传统模型的安全性能，从而说明了采用本模型的安全传输机制的优势。仿真环境:加性白高斯噪声的功率为N＝1，第一时隙功率分配因子α＝0.2，第二时隙功率分配因子β＝0.2，蒙特·卡洛仿真次数N_Monte＝1000000，所有信道平均信道增益均为1。
图4是展示在基于蒙特·卡洛仿真环境下，本模型和传统模型的系统遍历安全容量随目的用户节点数M增大的变化情况。
从图中可以看出随着M的增大，本模型和传统模型的遍历安全容量都随着M和P的增大而增大。并且，在P一定的情况下，本模型的安全性能优于传统模型的安全性能。仿真环境:加性白高斯噪声的功率为N＝1，第一时隙功率分配因子α＝0.2，第二时隙功率分配因子β＝0.2，蒙特·卡洛仿真次数N_Monte＝1000000，所有信道平均信道增益均为1。
综上，本发明提供了一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法，其通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。
由于本发明目的端存在多个用户，信源基于直达路径的通信方式，采用机会式最优用户选择方案即从多用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，从而获得多用户分集增益并提升系统的安全性能。
由于考虑了多用户节点处于全双工工作模式以及采用机会式最优用户选择方案，在与现有传统方案进行比较分析时可以发现，本发明的安全性能优于传统方案的安全性能。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于中继链路最优用户选择的协作加扰安全传输方法，其应用于多用户中继网络中，该多用户中继网络包含信源节点、中继节点以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，其特征在于：所述目的用户节点采用全双工工作模式；所述传输方法包括第一时隙和第二时隙的传输，具体如下：
在第一时隙，基于中继到目的用户节点的链路选择一个接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，其他目的用户 节点作为潜在窃听用户节点，潜在窃听用户节点中接收信噪比最大的目的用户节点作为窃听用户节点；
所述信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点，同时所述合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点；
在第二时隙，中继节点采用可变增益放大转发协议将第一时隙接收到的信息进行放大，并将该信息转发到目的用户节点；
合法用户节点继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点；
所述传输方法具体包括以下步骤：
步骤1、在第一时隙，基于中继到目的用户节点 的链路选择一个接收信噪比最大的目的用户节点作为合法用户节点，则合法用户节点为
Figure FDA0003066100210000011
其中D＝{D1,...,DM}，表示为M个目的用户节点的集合，
Figure FDA0003066100210000012
表示中继节点与目的用户节点间的信道系数，窃听用户节点表示为
Figure FDA0003066100210000013
其中
Figure FDA0003066100210000014
表示中继与潜在窃听用户节点间的信道系数；
步骤2、在第一时隙，信源节点向中继节点和目的用户节点发送信息，同时合法用户节点向中继节点和窃听用户节点发送干扰信号；
中继接收到的信号表达式为
Figure FDA0003066100210000021
其中XS表示发送信号，XJ表示加扰信号，hSR表示信源节点与中继节点间的信道系数，hBR表示合法用户节点与中继节点间的信道系数，nR表示单位方差的加性白高斯噪声，PS为信源发送功率，
Figure FDA0003066100210000022
为第一时隙合法用户节点发送的干扰信号功率；
合法用户节点接收到的信号表达式为
Figure FDA0003066100210000023
其中hSD表示信源节点与目的用户节点间的信道系数，hLI表示目的用户节点的自干扰的信道系数，
Figure FDA0003066100210000024
表示第一时隙合法用户节点的单位方差的加性白高斯噪声；
窃听用户节点接收到的信号表达式为
Figure FDA0003066100210000025
其中hBε表示合法用户节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure FDA0003066100210000026
为第一时隙窃听用户节点单位方差的加性白高斯噪声；
步骤3、在第二时隙，中继节点采用放大转发协议转发第一时隙接收到的信息到目的用户节点，同时，合法用户节点继续发送干扰信号到中继节点和窃听用户节点；
中继节点的发送信号表示为XR＝βfyR，其中βf为中继的放大转发因子，表示为
Figure FDA0003066100210000031
其中PR为中继节点发送功率，表示为PR＝βP，β为第二时隙功率分配因子，P为每个时隙的总发送功率；
合法用户节点接收到的信号表达式为
Figure FDA0003066100210000032
其中，hRB表示中继节点与合法用户节点间的信道系数，
Figure FDA0003066100210000033
为第二时隙合法用户节点的单位方差的加性白高斯噪声；
窃听用户节点接收到的信号表达式为
Figure FDA0003066100210000034
其中，XR表示中继节点的发送信号，hRε表示中继节点与窃听用户节点间的信道系数，
Figure FDA0003066100210000035
表示第二时隙窃听用户节点的单位方差的加性白高斯噪声，
Figure FDA0003066100210000036
为第二时隙合法用户节点发送干扰信号的功率；
由于信源节点和中继节点通过正交信道传输信号到目的用户节点，由此可知目的用户节点可采用最大比合并技术来接收两路的信号，合法用户节点的信噪比表示为
Figure FDA0003066100210000037
因为合法用户节点接收的信噪比最大，上式近似为
Figure FDA0003066100210000038
窃听用户节点的信噪比表示为
Figure FDA0003066100210000041
那么，系统的瞬时安全容量表示为CS＝[CB-Cε]+，其中
Figure FDA0003066100210000042
[a]+表示max(a,0)，将各个系数代入系统瞬时安全容量的表达式可得：
Figure FDA0003066100210000043
其中，
Figure FDA0003066100210000044
Figure FDA0003066100210000045
Figure FDA0003066100210000046
，γSR＝|hSR|2表示信源节点到中继节点的信道功率增益，γRB＝|hRB|2表示中继节点到合法用户节点的信道功率增益，γRε＝|hRε|2表示中继节点到窃听用户节点的信道功率增益，γSD＝|hSD|2表示信源节点到目的用户节点的信道功率增益，γBε＝|hBε|2表示合法用户节点到窃听用户节点的信道功率增益，α为第一时隙功率分配因子。
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