CN109600746A - 协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法 - Google Patents

Abstract

协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，在无线衰落信道条件下，当发送者和合法接收者之间无直传链路时，采用机会中继选择来协助保密信息的传输：以直接传输为基准，将单中继、多中继选择方案作对比，包括中断概率、截获概率和安全性‑可靠性折中，分析几种方案的性能，选择综合性能最优的机会中继选择方案来传输保密信息，以提高信息传输的安全性同时保证系统的可靠性。本发明提出了一种中继网络性能的分析方法，通过推导、分析两种中继选择方案在衰落信道下的性能，包括中断概率、截获概率、二者性能折中，最终根据性能选择折中性能最优的方案来传输信息，既能提高信息传输的安全性，又能保证系统的可靠性。

Description

协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法

技术领域

本发明属于无线通信领域的信息安全技术，涉及物理层安全技术，提出了机会中继选择方案的性能分析方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展及广泛应用，人们对数据业务的需求日益增长，同时对个人私密信息的保密传输也提出了更高的要求。协同通信利用系统内的各节点协作处理信息，能够获得很好的分集增益，从而有效提高信息传输的可靠性。由于良好的抗衰落性能，协同通信技术在无线通信领域得到广泛研究。然而，由于无线信道的开放性和信息传输的广播特性，协同通信虽可提高信息传输的可靠性、扩大通信范围，但在信息进行协同传输的同时也增加了被窃听者成功窃取的可能性。

认证技术和上层数据加密技术是解决上述问题的传统手段，可用于防止窃听者拦截加密信息，可以提高信息传输的安全性。但是，在分发和管理密钥时，加密技术会增加系统的复杂性和额外的计算开销。此外，随着计算机技术的飞速发展，经典的密码技术可以被窃听者通过密钥暴力搜索破解，从而不能保证信息传输的安全性。

近年来，物理层安全技术作为传统数据加密技术的补充，得到了广泛关注和应用。物理层安全技术基于信息论原理，在合理设计信道编码的基础上可以获得可靠的安全性，其本质是利用无线信道的物理特性，比如干扰、信道衰落、噪声，并且系统的通信安全不受窃听者计算能力的影响，是一种很有效的防窃听机制。Wyner在1975年首次建立了窃听信道模型，并提出了用安全容量的概念来描述通信安全，即主信道容量与窃听信道容量之差。并证明当主信道条件比窃听信道条件好时(即安全容量为正)，一定会存在一种编码方式可以实现信息的安全传输。同时，协同通信因其可以抵抗无线信道衰落并提高信息传输可靠性而受到了广泛的关注。

近年来，为了对抗信道衰落效应，人们开始研究协同中继网络，并取得了丰硕的成果。有学者研究了具有保密约束的多天线放大转发中继协作通信网络中，机会中继选择方法的性能，验证了该方法可有效提高多天线放大转发中继网络的可实现遍历安全容量。人们还研究了在Nakagami-m衰落信道条件下，采用单中继转发信号的同时发送人工干扰的协作通信系统的可靠性和安全性，分别用中断概率和截获概率描述，并给出了二者的闭合表达式，同时分析了系统安全性-可靠性折中。在Nakagmi-m衰落信道中且存在信道估计误差时，译码转发和放大转发协同中继系统的性能也得到了具体分析。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对发送者和合法接收者之间无直传链路的协同无线通信系统，本发明提出了机会中继选择的方法，通过性能分析来选择最优的中继选择方案传输加密信息，既能提高信息传输的安全性，又能保证系统的可靠性。

本发明的技术方案为：一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，在无线衰落信道条件下，当发送者和合法接收者之间无直传链路时，采用机会中继选择来协助保密信息的传输：以直接传输为基准，将单中继、多中继选择方案作对比，包括中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中，三者分别为中断概率P_out、截获概率P_int及安全性-可靠性折中SRT＝(1-P_out)·(1-P_int)，分析几种方案的性能，选择综合性能最优的机会中继选择方案来传输保密信息，以提高信息传输的安全性同时保证系统的可靠性。

进一步的，本发明采用中断概率OP、截获概率IP和安全性-可靠性折中SRT描述系统性能，三者分别定义为P_out＝Pr(C_d<R_d)、P_int＝Pr(C_e>R_d)及SRT＝(1-P_out)·(1-P_int)，当所有中继都无法正确解码或合法接收者D处信道容量C_d小于数据传输速率R_d时，系统发生中断；当窃听者E处信道容量C_e大于数据传输速率R_d时，系统可能发生窃听；

在此前提下进行计算对比：

1)直接传输方案:

2)单中继选择方案：

2.1)E在S覆盖范围外时：

2.2)E在S覆盖范围内时，OP表达式不变：

是S和E间的信道容量，C_e是C_be二者中的较大值，即

3)多中继选择方案：

3.1)E在S覆盖范围外时：

3.2)E在S覆盖范围内时，OP表达式不变：

此时是二者中的较大值，即

上述方案比对后，选择折中性能最优的方案来传输信息。

本发明提出了一种中继网络性能的分析方法，实现对单中继、多中继选择方案的最佳中继选择，通过推导、分析两种中继选择方案在衰落信道下的性能，包括中断概率、截获概率、二者性能折中，最终根据性能仿真选择折中性能最优的方案来传输信息，既能提高信息传输的安全性，又能保证系统的可靠性。具有如下进步：

1、本发明方法通过分析采用机会中继选择来协助保密信息的传输，选择合适的中继方案来传输保密信息，以提高无线衰落信道中保密信息传输的可靠性和有效性，并防止窃听者获取保密信息，提高系统的安全性；现有技术在需要采用中继传输时，要么单独考虑单中继选择，要么单独考虑多中继选择，没有考虑过在两者中对比选择的方案，本发明对比分析二者的可靠性、有效性、折中性能，更全面，更具体；且现有技术由于都是单独考虑两种中继方案，而实际应用中无线通信系统的信道环境复杂，因此很难为实际应用提供指导，本发明提出对单中继和多中继方案二者对比分析性能的方法，给出了实际系统方案应用的指导，根据不同功率、不同中继个数、对复杂度要求等灵活调整方案应用，有利于实际应用。

2、本发明给出了一种协同无线通信系统的性能分析方法，包括中断概率、截获概率和可靠性-安全性折中，由于中断概率、截获概率本身可以很好的描述系统的性能，现有技术从未同时考虑将其结合来描述系统性能，目前研究通信系统性能折中的文章较少，本发明的安全性-可靠性折中SRT计算方式属于首次提出，现有技术大多仅仅仿真表示了中断概率、截获概率二者关系，却对这二者如何综合表现通信系统性能没有研究。本发明提出了SRT这一判断标准，给出了折中性能的表达式，在计算出中断、截获概率后，直接通过SRT公式仿真折中性能与系统传输功率的关系，本发明针对中继方案选择，提出并分析了采用机会中继选择的协同无线通信系统的性能，同时考虑三种性能并选择折中性能最优的方案传输信息，既能提高信息传输的安全性，又能保证系统的可靠性。

附图说明

图1为直接传输方案的系统框图。

图2为机会中继选择方案的系统框图。

图3为本发明当中继个数为4时，直接传输、单中继选择、多中继选择方案的中断概率和截获概率与系统传输功率关系的仿真图。

图4为本发明当中继个数为4时，直接传输、单中继选择、多中继选择方法的可靠性-安全性折中与系统传输功率关系的仿真图。

图5为本发明当中继个数为8时，直接传输、单中继选择、多中继选择方法的可靠性-安全性折中与系统传输功率关系的仿真图。

具体实施方式

本发明在无线通信系统的发送者和合法接收者之间无直传链路时，采用机会中继选择来协助保密信息的传输，以提高无线衰落信道中保密信息传输的可靠性和有效性，并防止窃听者获取保密信息，提高系统的安全性，最后分析该协同无线通信系统的性能，包括中断概率、截获概率和可靠性-安全性折中。

本发明的系统模型图如图1、2所示，发送者S向一个合法的接收者D发送加密信息，由于S和D之间没有直传链路，故采用N个中继R转发信息至D，此时E企图通过被动窃听的方法获取消息。本发明采用单中继、多中继两种中继选择方案协助信息转发，同时用传统的直接传输与两种机会中继选择方案作对比，分别得到三种方案各节点处的接收信号，并由此获得各节点处的信道容量，根据中断概率、截获概率、可靠性-安全性折中定义式分析三种方案的性能，最后仿真验证理论分析的正确性和各方案的特点。

协同无线通信系统中，所有节点均只装备一根天线，且均工作于半双工模式，设S和D、E间有直传链路，S直接发送保密信息到D，同时E试图窃听该保密信息，则D、E处的接收信号分别为h_sd、h_se分别是S和D、E间的信道衰落系数，n_d、n_e分别是D、E处的复值加性高斯白噪声，由此得到D、E处的信道容量为C_sd＝log₂(1+|h_sd|²γ)、C_se＝log₂(1+|h_se|²γ)。γ＝P/N₀，P是无线通信系统总功率，N₀是AWGN的方差。

下面说明几种传输方式的信道性能计算方法。

1)直接传输时，设待进行机会中继选择的协同无线通信系统的总功率为P，信息传输分两个时隙完成，

首先发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，由于S和D之间没有直传链路，故采用N个中继R转发信息至D，此时特定中继R_i接收到的信号为i＝1,2,...,N，其中h_si是S和R_i间的信道衰落系数，n_i是R_i处的复值加性高斯白噪声，S和R_i间的信道容量为将能够正确解码x_s的所有中继集合记为一共有2^N种可能，记为其中表示所有中继均无法正确解码x_s，表示第n个可以正确解码x_s的非空集合，根据香农编码理论，S和R_i间信道容量C_si小于数据传输速率R_d时，R_i无法正确解码信息，即当时，C_si<R_d；当时，C_si>R_d,且C_sj<R_d,其中是的补集，R_i R_j分别表示不同的中继；

R_i以功率P/2转发解码后的x_s至D，D端接收信号为其中h_id是R_i和D间的信道衰落系数，n_d是D处的复值加性高斯白噪声，R_i和D间的信道容量为计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

2)单中继选择方案时，只在中选择一个中继作为“最佳”中继R_b，满足条件：

此时只有|h_id|²影响“最佳”中继的选择，h_id通过信道估计的方法获得，“最佳”中继R_b与D间的信道容量为：

该过程存在一个位置未定的被动窃听者E试图窃听保密信息，E处的接收信号为h_be是“最佳”中继R_b和E间的信道衰落系数，n_e是E处的复值加性高斯白噪声，“最佳”中继R_b与E间的信道容量若该信道容量大于数据传输速率R_d，窃听者则会窃听到保密信息，所计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

3)多中继选择方案时，选择中所有中继都参与信息转发，并用中各中继的权重向量分配功率P/2，||W||＝1，此时D、E处接收信号分别为：

其中表示中各中继与D之间的信道衰落系数，表示中各中继与E之间的信道衰落系数，由此得到D、E处的信噪比

多中继选择方案中，“最佳”权重向量需满足s.t.||W||＝1，由此得到此时只有h_d影响“最佳”权重向量的选择，选定“最佳”权重向量后，即得到多中继选择的具体中继方案，此时中继与D、E间的信道容量分别为所计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

根据上面计算的信道容量，采用中断概率OP、截获概率IP和安全性-可靠性折中SRT描述无线通信系统性能，三者分别定义为P_out＝Pr(C_d<R_d)、P_int＝Pr(C_e>R_d)及SRT＝(1-P_out)·(1-P_int)，当所有中继都无法正确解码或合法接收者D处信道容量C_d小于数据传输速率R_d时，系统发生中断；当窃听者E处信道容量C_e大于数据传输速率R_d时，系统可能发生窃听；在此前提下进行分析对比：

1、传输性能分析。

1)直接传输：

A.中断概率：

将S与D之间的信道容量C_sd＝log₂(1+|h_sd|²γ)带入，得到

由于信道系数的平方，即|h_ij|²((i，j∈S,D,R,E)&(i≠j))，均服从Gamma分布，即通信系统中的信道系数表示为：

其中Ω_ij为多径离散分量的平均功率，m_ij、β_ij分别是gamma分布的形状参数和尺度参数。当分析具体S与D之间的信道时，下标写为m_sd和β_sd。利用泰勒展开，通过推导得到中断概率闭合表达式为：

k是一个计数变量。

B.截获概率：

公式(5)中第二项的推导结果与公式(4)类似，故

m_se和β_se对应表示为S与E之间的信道分析。

C.可靠性-安全性折中：

2)单中继选择：

2.1)E在S覆盖范围外时：

A.中断概率:

当时，没有中继可以正确解码，故C_bd＝0，上式可简写为

当时，C_si<R_d(i＝1,2,...,N)；当时，C_si>R_d 且C_sj<R_d 其中是的补集。将信道容量带入公式(9)得到

公式(10)中每一项的推导结果与公式(4)类似。

B.截获概率：

当时,C_be＝0，上式可以简写为

上式第一项、第二项得到类似公式(4)的结果，第三项的推导结果为

设|h_id|²＝y,得到上式第二项为：

m表示gamma分布的形状参数；表示能正确解码中继组合中去掉R_i后其他中继；a_n1a_n2a_n3用来表示公式(14)推导中的数据变形。

C.可靠性-安全性折中：

2.2)E在S覆盖范围内时：

A.中断概率与公式(8)相同。

B.截获概率:

此时窃听者可以从S、R窃听加密信息，因此截获概率增加。选择S、R到E信道容量较大者作为窃听信道容量，即截获概率为

主要工作是推导最后一项，

上式每一项都已得到闭合表达式，如公式(4)、(13)所示。

C.可靠性-安全性折中：

3)多中继选择方法

这部分所有推导步骤均与单中继选择方法相同，分别给出各性能指标闭合表达式。

3.1)E在S覆盖范围外时：

A.中断概率：

主要工作是推导最后一项，多个Gamma分布的和仍为Gamma分布，只是此时成型因子为故

B.截获概率：

由于计算量过大，上式最后一项无法计算闭合表达式，一般通过仿真得到数值结果。

C.可靠性-安全性折中：

3.2)E在S覆盖范围内时：

A.中断概率与公式(19)相同

B.截获概率：

主要工作仍是推导上式最后一项，

C、可靠性-安全性折中：

2、仿真分析

所有的仿真分析均是在Nakagami-m衰落信道中进行。假设数据速率R_d＝3，复值加性高斯白噪声的方差N₀＝1。此外，假定成型因子m＝1和多径散射分量的平均功率Ω＝2。

实验一：仿真得到中继个数N＝4时，直接传输、单中继选择、多中继选择的中断概率、截获概率与系统传输功率的关系，如图3所示。得到如下结果：

1.三种方案的中断概率随传输功率的增加而减少,而相应的截获概率增加。这意味着当无线传输系统存在窃听者时，系统的中断概率和截获概率间存在折中。

2.无论窃听者是否在发送者的覆盖区域内,单中继选择和多中继选择方案的截获概率均优于直接传输；当传输功率分别大于26dB、24dB时，二者的中断概率优于直接传输。

3.当窃听者在发送者覆盖范围内时，多中继选择的中断概率仍始终优于单中继选择，但其截获概率比单中继选择要差。此时两种中继选择方案的中断概率、截获概率较窃听者在发送者覆盖范围外时均变差。

实验二：仿真得到中继个数N＝4时，直接传输、单中继选择、多中继选择的可靠性-安全性折中与系统传输功率的关系，如图4所示。得到如下结果：

1.当窃听者在发送者覆盖范围外时，单中继选择、多中继选择的性能折中均优于直接传输。

2.当窃听者在发送者覆盖范围内时，多中继选择的性能折中仍优于单中继选择，但此时多中继选择的性能折中优于直接传输，单中继选择比直接传输要差。

3.无论窃听者是否在发送者的覆盖区域内，当传输功率分别小于13dB和16dB，多中继选择、单中继选择方案的性能折中均比直接传输要差。且直接传输在传输功率仅为7dB时便可达到最佳值。因此我们应根据传输功率的大小合理选择方法。

实验三：仿真得到中继个数N＝8时，直接传输、单中继选择、多中继选择的可靠性-安全性折中与系统传输功率的关系，如图5所示。得到如下结果：

1、与实验二对比，无论窃听者是否在发送者的覆盖区域内，两种中继选择方案的折中性能均提高，且均优于直接传输。表明中继选择方案的折中性能随中继个数的增加而提高。

2、多中继选择必须满足同步要求，这导致系统复杂度很高，否则系统会引入严重的符号间干扰。故多中继选择的性能优势是以高复杂度为代价的。

从上述仿真结果来看，根据仿真结果得到中继选择方案的中断概率和截获概率都比直接传输方式的要小，那折中性能肯定就比直接传输的大，因此选择两种中继选择方案能更好的提高信息传输的安全性，又能保证系统的可靠性；再根据系统对复杂度和性能的要求，从两种中继选择方案中选择一个符合要求的传输信息。

Claims (5)

1.一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，其特征是在无线衰落信道条件下，当发送者和合法接收者之间无直传链路时，采用机会中继选择来协助保密信息的传输：以直接传输为基准，将单中继、多中继选择方案作对比，包括中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中，三者分别为中断概率P_out、截获概率P_int及安全性-可靠性折中SRT＝(1-P_out)·(1-P_int)，分析几种方案的性能，选择综合性能最优的机会中继选择方案来传输保密信息，以提高信息传输的安全性同时保证系统的可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，其特征是所述协同无线通信系统包括一个信息发送者S，一个合法接收者D，N个译码转发中继R，以及1个位置未定的被动窃听者E，所有节点均只装备一根天线，且均工作于半双工模式，设S和D、E间有直传链路，S直接发送保密信息到D，同时E试图窃听该保密信息，则D、E处的接收信号分别为h_sd、h_se分别是S和D、E间的信道衰落系数，n_d、n_e分别是D、E处的复值加性高斯白噪声，由此得到D、E处的信道容量为C_sd＝log₂(1+|h_sd|²γ)、C_se＝log₂(1+|h_se|²γ)，γ＝P/N₀，P是无线通信系统总功率，N₀是AWGN的方差，

分析直接传输时，设协同无线通信系统的总功率为P，信息传输分两个时隙完成，

首先发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，由于S和D之间没有直传链路，故采用N个中继R转发信息至D，此时特定中继R_i接收到的信号为 其中h_si是S和R_i间的信道衰落系数，n_i是R_i处的复值加性高斯白噪声，S和R_i间的信道容量为将能够正确解码x_s的所有中继集合记为一共有2^N种可能，记为其中表示所有中继均无法正确解码x_s，表示第n个可以正确解码x_s的非空集合，根据香农编码理论，S和R_i间信道容量C_si小于数据传输速率R_d时，R_i无法正确解码信息，即当时，C_si<R_d；当时，C_si>R_d,且C_sj<R_d,其中是的补集，R_iR_j分别表示不同的中继；

R_i以功率P/2转发解码后的x_s至D，D端接收信号为其中h_id是R_i和D间的信道衰落系数，n_d是D处的复值加性高斯白噪声，R_i和D间的信道容量为

计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

3.根据权利要求2所述的一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，其特征是分析单中继选择方案时，只在中选择一个中继作为“最佳”中继R_b，满足条件：

此时只有|h_id|²影响“最佳”中继的选择，h_id通过信道估计的方法获得，“最佳”中继R_b与D间的信道容量为：

该过程存在一个位置未定的被动窃听者E试图窃听保密信息，E处的接收信号为h_be是“最佳”中继R_b和E间的信道衰落系数，n_e是E处的复值加性高斯白噪声，“最佳”中继R_b与E间的信道容量若该信道容量大于数据传输速率R_d，窃听者则会窃听到保密信息，所计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

4.根据权利要求2所述的一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，其特征是分析多中继选择方案时，选择中所有中继都参与信息转发，并用中各中继的权重向量分配功率P/2，||W||＝1，此时D、E处接收信号分别为：

其中表示中各中继与D之间的信道衰落系数，表示中各中继与E之间的信道衰落系数，由此得到D、E处的信噪比

多中继选择方案中，“最佳”权重向量需满足由此得到此时只有h_d影响“最佳”权重向量的选择，选定“最佳”权重向量后，即得到多中继选择的具体中继方案，此时中继与D、E间的信道容量分别为所计算得到信道容量用于中断概率、截获概率的计算。

5.根据权利要求1所述的一种协同无线通信系统中机会中继选择方案的性能分析方法，其特征是采用中断概率OP、截获概率IP和安全性-可靠性折中SRT描述系统性能，三者分别定义为P_out＝Pr(C_d<R_d)、P_int＝Pr(C_e>R_d)及SRT＝(1-P_out)·(1-P_int)，当所有中继都无法正确解码或合法接收者D处信道容量C_d小于数据传输速率R_d时，系统发生中断；当窃听者E处信道容量C_e大于数据传输速率R_d时，系统可能发生窃听；在此前提下进行分析对比：

1)直接传输方案:

2)单中继选择方案：

2.1)E在S覆盖范围外时：

2.2)E在S覆盖范围内时，OP表达式不变：

是S和E间的信道容量，C_e是C_be二者中的较大值，即

3)多中继选择方案：

3.1)E在S覆盖范围外时：

3.2)E在S覆盖范围内时，OP表达式不变：

此时是二者中的较大值，即

上述方案比对后，选择折中性能最优的方案来传输信息。