CN109451572A - 基于arq协议的非正交多址接入网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，所述无线网络包括：一个发送节点S，N个用户i，i∈{1,2,…,N}，以及一个窃听节点e，发送节点根据信道条件选择用户m和用户n发送信号x，用户m和n从信号x中解调各自的目的信号，其特征在于，所述用户m和用户n分别采用自动重传请求技术与发送节点通信，并且每次重传时的信号功率逐次递减。实施本发明方法其有益效果在于，增强通信可靠性和减少信息泄露，尤其在低功率情况下优势明显；并且对硬件资源要求低，操作简单，容易工程应用，能够应用于大规模物联网场景。

Description

基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法。

背景技术

随着物联网技术的发展，万物互联的概念得到了业界广泛的关注。而物联网的信息传输中，一方面，在有限的通信资源下实现海量连接是一重大挑战；另一方面，低成本的通信节点占据重要比例，由于设备成本的限制，这些通信节点难以完成复杂的计算任务和信道估计，因此，在设备成本的限制下实现可靠通信是另一大挑战。非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技术，其基本原理是发送端通过给不同用户的信号分配大小不同的功率，接收端解调功率较小的信号时首先采用串行干扰消除技术消除强信号的干扰，解调功率较大的信号时直接将功率较小的信号看作干扰。NOMA被看作是未来网络中有潜力的多址接入技术之一，已经得到了广泛的关注。自动重传请求(Automatic RepeatreQuest，ARQ)技术能够有效减小衰落信道的影响，提升通信的可靠性。其基本思想是通过多次传输提供分集增益，目的节点通过反馈确认信号，不断请求重传出错的信息帧直到目的节点正确接收或者达到最大重传次数，来保证信息的可靠传输。

NOMA技术在增大网络连接数目的同时，也使窃听节点获得更多的窃听机会，网络的安全风险增大。因此在利用NOMA技术增大网络连接数目的同时，其所带来的安全问题不容忽视。此外ARQ技术通过重复传输信息，在提高可靠性的同时，无疑增大了信息泄露的风险。

然而，在现有技术中，采用NOMA和ARQ技术结合后带来的安全问题没有在公开文献中涉及过。

发明内容

本发明根据物联网技术发展中遇到的挑战，考虑到信息在传输过程中可能被窃听，在ARQ协助的非正交多址接入网络中，采用用户机会调度和递减功率ARQ的方法增强系统安全性和可靠性，实现低成本设备的安全通信。所述基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法中，所述无线网络包括：一个发送节点S，N个用户i，i∈{1,2,…,N}，以及一个窃听节点e，发送节点根据信道条件选择用户m和用户n发送信号x，用户m和n从信号x中解调各自的目的信号，其特征在于，所述用户m和用户n分别采用自动重传请求技术与发送节点通信，并且每次重传时的信号功率逐次递减。

进一步地，所述信号功率逐次呈线性递减。

进一步地，所述发送节点根据信道条件选择用户m和n发送信号x，用户m和n从信号x中解调各自的目的信号，具体为：

S1，从所述N个用户中选取信道状态最佳用户n和信道状态次最佳的用户m；

S2，所述用户m和n的信息采用叠加编码的方式共享同一通信资源，给用户m和n分配不同的功率来区分两个用户的信号；叠加编码后的信号可以表示为其中x_n和x_m分别为用户n和用户m调制后的信号，P_n和P_m分别为分配给x_n和x_m的功率，并且P_m>P_n；

S3，用户m接收到信号x后，将用户n的信息当作干扰，直接解调其目的信号x_m；用户n接收到信号x后，采用串行干扰消除技术，首先解调出用户m的信息，然后将解调出的信息重新调制并且从混合信号中减去用户m的信息，再解调剩下的信号，恢复出用户n的目的信号x_n。

进一步地，所述方法还包括：

在每个用户处设置计时器，计时器的初值与接收到来自发送节点信号的信号强度成反比，所述计时器的时间第一个被耗尽的用户为信道状态最佳用户，计时器的时间第二个被耗尽的用户为信道状态次最佳用户。

进一步地，所述方法还包括：用户m和用户n发送用户选定信号，告知无线网络中其他用户信道状态最佳用户和信道状态次最佳的用户已经选定；发送节点收到用户m和用户n的用户选定信号后确定将要发送的信息。

进一步地，当若干个用户与发送节点之间的二阶统计信道状态信息相等时，所述若干个用户具有相等的机会与发送节点通信。

进一步地，所述用户和窃听节点采用最大比合并技术接收重传信号。

本发明的适用范围是对抗被动窃听的ARQ协助的非正交多址接入网络，其中发送点、用户节点、窃听节点均配置单天线，工作在半双工模式下。考虑到窃听节点会截获通信信息，采用机会用户调度来增强合法用户通信质量，同时采用递减功率ARQ的方法增强通信可靠性和减少信息泄露，在低功率情况下优势明显，对硬件资源要求低，操作简单，容易工程应用，能够应用于大规模物联网场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的ARQ协助的非正交多址接入网络安全传输模型图；

图2是本发明信息传输的方法流程图；

图3是本发明实施例方法和随机用户选择传输方法的安全吞吐量随着发送功率变化实验对比图；

图4是本发明实施例方法和固定功率ARQ和非ARQ传输方法的安全吞吐量随着发送功率变化实验对比图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的ARQ协助的非正交多址接入无线网络中，包含一个发送节点S，N个合法用户i，i∈{1,2,…,N}，以及一个窃听节点e，所有节点均配置单天线，并且工作在半双工模式下；发送节点S利用非正交多址接入(NOMA,Non-orthogonal Multiple Access)技术同时和两个合法用户通信并采用自动重传请求(ARQ,Automatic Repeat reQuest)技术来减小信道衰落对接收性能的影响；窃听节点采用被动窃听的方式截取每一次发送节点和合法用户之间的通信数据；为增强安全性能，发送节点采用一种递减功率ARQ和用户机会调度的方法对抗窃听节点的窃听。本发明的传输方法实现过程如下：

第一步：用户机会调度：从N个合法用户中挑选出两个信道状态最好的用户，按照NOMA原理与发送节点通信，其具体方法为：在每个合法用户处设置计时器，计时器的初值与接收到来自发送节点信号强度成反比；最佳用户n和次最佳的用户m处计时器时间首先被耗尽，它们先后向网络其他节点广播用户选定信号告知最优的两个用户已经选定；发送节点收到用户n和用户m的用户选定信号确定将要发送的信息；

第二步：信息编码：单个用户的信息采用维纳编码，编码后的用户n和用户m信息码字可以表示为(R_n,t,R_n,s)和(R_m,t,R_m,s)，其中R_n,t和R_m,t分别为用户n和用户m信息码字的传输速率，R_n,s和R_m,s分别为用户n和用户m安全信息速率，R_n,t-R_n,s和R_m,t-R_m,s分别表示用户n和用户m信息的编码冗余；两个用户的信息采用叠加编码的方式共享同一通信资源，通过给两个用户分配不同的功率来区分两个用户的信号；叠加编码后的信号可以表示为其中x_n和x_m分别为用户n和用户m调制后的信号，P_n和P_m分别为分配给x_n和x_m的功率，并且P_m>P_n；

第三步：信号传输和处理：信号x经过衰落信道传输至合法用户，用户m和用户n都能接收到包含用户m和用户n信号的混合信号；首先，用户m将用户n的信息当作干扰，直接解调其目的信号，若用户m不能正确地恢复出其目的信号x_m，则反馈否定确认信号(NACK,negative acknowledge)至发送节点，请求重传x_m，发送节点重传x_m，直到达到最大重传次数，结束重传，或者用户m正确地恢复出x_m，反馈确认信号(ACK,acknowledge)至发送节点，结束对x_m的重传；用户n采用串行干扰消除技术，首先解调出用户m的信息，然后将解调出的信息重新调制并且从混合信号中减去，再解调剩下的信号，恢复出用户n的目的信号x_n；若用户n不能正确地恢复出其目的信号x_n，则反馈否定确认信号NACK至发送节点，请求重传x_n，发送节点重传x_n，直到达到最大重传次数，结束重传，或者用户n正确地恢复出x_n，反馈确认信号ACK至发送节点，结束重传；为减少信息泄露，采用递减功率ARQ的方法，即重传中的信号功率逐次递减。

在本发明实施例中，重传中的信号功率逐次线性递减，按等比数列递减，每次重传递减50％，或者按等差数列递减。

在本发明实施例中，当各用户和发送节点之间的二阶统计信道状态信息相等时，采用本发明的用户机会调度方法，各用户具有相等的与发送节点通信的机会，例如，用户m，n，p，q与发送节点之间信号强度的均值和/或方差相等，则用户m，n，p，q有相等的机会最先与发送节点通信。

本发明的传输方法和随机用户选择传输方法、固定功率ARQ传输方法以及非ARQ传输方法的安全吞吐量对比仿真如图3和图4所示，其中N＝10，最大重传次数为7，其中，

a_m＝0.7,a_n＝0.3，

R_m,t＝1bit/s/Hz,R_m,s＝0.5bit/s/Hz，

R_n,t＝1bit/s/Hz,R_n,s＝0.8bit/s/Hz。

信道服从Nakagami-m分布，各信道小尺度衰落阶数都为2，发送节点到用户之间的距离d_Si＝80m，发送节点到窃听节点的距离d_Se＝180m，大尺度衰落表示为各接收端的噪声功率σ²＝-52dBm。安全吞吐量定义为：

η_i＝R_i,sPr[C_Si>R_i,t,C_Se＜R_i,t-R_i,e]

其中，i∈(m,n)，C_Sj(j∈i,e)为S到j之间的信道容量。由图3可知，不论用户m还是用户n，本发明传输方法在不同发送功率条件下的安全吞吐量均要优于用户随机选择传输方法。由图4可知，不论用户m还是用户n，在不同发送功率的情况下，本发明传输方法的安全吞吐量均大于固定功率ARQ传输方法和非ARQ传输方法。特别在低功率区域，本发明传输方法的优势更加明显。

Claims (7)

1.一种基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，所述无线网络包括：一个发送节点S，N个用户i，i∈{1,2,…,N}，以及一个窃听节点e，发送节点根据信道条件选择用户m和用户n发送信号x，用户m和n从信号x中解调各自的目的信号，其特征在于，所述用户m和用户n分别采用自动重传请求技术与发送节点通信，并且每次重传时的信号功率逐次递减。

2.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，所述信号功率逐次呈线性递减。

3.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，所述发送节点根据信道条件选择用户m和n发送信号x，用户m和n从信号x中解调各自的目的信号，具体为：

S1，从所述N个用户中选取信道状态最佳用户n和信道状态次最佳的用户m；

S2，所述用户m和n的信息采用叠加编码的方式共享同一通信资源，给用户m和n分配不同的功率来区分两个用户的信号；叠加编码后的信号可以表示为其中x_n和x_m分别为用户n和用户m调制后的信号，P_n和P_m分别为分配给x_n和x_m的功率，并且P_m>P_n；

S3，用户m接收到信号x后，将用户n的信息当作干扰，直接解调其目的信号x_m；用户n接收到信号x后，采用串行干扰消除技术，首先解调出用户m的信息，然后将解调出的信息重新调制并且从混合信号中减去用户m的信息，再解调剩下的信号，恢复出用户n的目的信号x_n。

4.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，所述方法还包括：

在每个用户处设置计时器，计时器的初值与接收到来自发送节点信号的信号强度成反比，所述计时器的时间第一个被耗尽的用户为信道状态最佳用户，计时器的时间第二个被耗尽的用户为信道状态次最佳用户。

5.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，所述方法还包括：用户m和用户n发送用户选定信号，告知无线网络中其他用户信道状态最佳用户和信道状态次最佳的用户已经选定；发送节点收到用户m和用户n的用户选定信号后确定将要发送的信息。

6.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，当若干个用户与发送节点之间的二阶统计信道状态信息相等时，所述若干个用户具有相等的机会与发送节点通信。

7.根据权利要求1所述的基于ARQ协议的非正交多址接入网络安全传输方法，其特征在于，所述用户和窃听节点采用最大比合并技术接收重传信号。