CN109728843A - 基于物理层网络编码中继模型的数据无线安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于物理层网络编码中继模型的数据无线安全传输方法，主要解决现有模型中因时隙浪费造成的通信效率降低及节点同步实现困难的问题。其实现方案是：1)中继节点广播数据包；2)其他节点根据接收的数据包，确定自身的发送顺序及解码数据包得到对方的数据；3)先发节点发送通信数据包，中继节点根据接收数据包的情况，进行相应操作；4)后发节点发送通信数据包，中继节点根据接收数据包的情况，进行相应操作；5)中继节点对收到的数据包进行物理层网络编码，中继节点广播得到的数据包。本发明通过改变时隙分配，减少了时隙浪费，提高了通信效率，降低了实现复杂度与成本，可用于物理层网络编码中继模型的高效安全传输。

Description

基于物理层网络编码中继模型的数据无线安全传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种数据传输方法，可用于物理层网络编码中继模型的高效安全传输。

背景技术

物理层网络编码与无线中继技术的融合已经引起了人们的广泛关注。在无线协同中继技术中，为了获得分集增益，源节点要和协同中继一起发送同一信息的多个信号副本；而在物理层网络编码技术中，也需要中间节点对接收的信息进行处理以获取网络性能的提高。因此比较发现，两者之间可以优势互补，使得这两种技术的融合成为必然。以双向无线中继传输场景为例，节点A与节点B要彼此交换信息，假设二者都不在对方发射机范围内，需借助中继R来转发彼此的信息。目前总共有三种模型：传统中继模型与物理层网络编码中继模型。在传统中继模型下，A发送数据包到R；R再转发给B，需要2个时隙才能完成A到B；同理，B向A发送数据包也需要两个时隙。因此，总共需要4个时隙才能完成一次双向通信。在物理层网络编码中继模型下，A与B在不同时隙向R发送自身数据包；中继R在接收完A与B的数据包后，将两者包进行XOR运算后再广播出去；A与B接收到中继广播数据包后，再将自身发送的数据包与中继广播数据包进行XOR运算后，便可得到对方的数据包。因此，总共需要3个时隙才能完成一次双向通信。通过对比上述三个模型可知，物理层网络编码中继模型相较于传统中继模型，不仅提高了链路容量，而且还有具有一定的抗窃听能力，安全性能好。物理层网络编码中继模型虽然相较于传统中继模型具有优势，但是其时隙过程存在时隙碎片，导致部分空闲时隙无法使用，从而造成时隙资源浪费，通信效率降低。此外，在物理层网络编码中继模型在实现时，节点间同步往往需要利用额外的同步时钟源，造成其实现的复杂度与成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于物理层网络编码中继模型的数据传输方法，以减少模型在时隙过程中的时隙资源浪费，提高收发双方的通信效率，降低其实现复杂度与成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1)设中继节点R在通信过程中有两个操作：一是接收其他节点的通信数据包，二是广播中继数据包，该数据包分为两类：第一类仅用于确定其他节点的发送顺序，第二类不仅用于确定其他节点的发送顺序，而且包含其他节点的通信数据；

2)设通过中继节点R相互通信的两个节点为A和B，在通信过程中，每个节点向中继节点R发送包含通信数据的通信数据包，并接收中继发送的数据包，其中通信数据包分为两类：一是先发节点发送的两个先发通信数据包F1与F2，二是后发节点发送的两个后发通信数据包S1与S2；

3)判断A、B节点是否收到中继节点R广播的中继数据包：

若A、B节点收到的中继数据包为第一类数据包，则A、B节点根据该数据包确定自身在接下来时隙中的发送顺序；

若A、B节点收到的中继数据包为第二类数据包，则A、B节点根据该数据包确定自身在接下来时隙中的发送顺序，同时通过解码分别得到对方的数据；

若A、B节点没有收到中继数据包，则A、B节点继续等待接收中继数据包；

4)在A、B节点收到中继数据包后的两个时隙中，由3)确定的先发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个先发通信数据包F1与F2，并将这两个数据包存储至本地；

5)判断中继节点R是否接收到两个先发通信数据包F1与F2，若收到，则执行6)；否则，继续广播第一类数据包；

6)在紧跟先发节点第二个时隙的后两个时隙中，由3)确定的后发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个后发通信数据包S1与S2，并将这两个数据包存储至本地；

7)判断中继节点R是否接收到后发通信数据包S1与S2，若收到，则进行执行8)；否则，继续广播第一类数据包；

8)中继节点R在接收到两个先发通信数据包F1与F2和两个后发通信数据包S1与S2后，分别对F1与S1进行物理层网络编码操作和对F2与S2进行物理层网络编码操作，得到两个第二类中继数据包R1、R2，

9)中继节点R将两个第二类中继数据包R1、R2进行广播，返回3)。

本发明具有如下优点：

(1)传输效率高

本发明考虑到了原方案时隙碎片问题，通过改变节点时隙分配情况，使A、B节点在连续的两个时隙内发送数据包，压缩整体时隙碎片，减少了时隙浪费。

(2)节点实现同步成本小。

本发明在节点间数据传输的过程中，通过中继节点R对A、B节点的时隙进行校准，而无需借助其他额外手段进行同步，降低了节点同步的实现复杂度与成本。

附图说明

图1是现有的基于物理层网络编码中继模型；

图2是本发明的时隙分配方法。

图3是本发明的实施流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，现有的物理层网络编码中继模型，包括一个中继节点R，两个通信节点A与B。在通信过程中，A、B节点通过中继节点R相互通信，A、B节点为了避免对中继节点R造成干扰，必须在不同时隙分别发送数据包。中继节点R在不同时隙收到来自A、B节点的数据包后，在对其进行XOR运算后进行广播。A、B节点收到中继广播数据包后，再将自身的数据包与中继广播数据包进行XOR运算后，得到对方的数据包。从以上过程可以看出，A、B节点完成一次数据包交换总共需要3个时隙才能完成。

当以上过程中存在时隙碎片时，导致部分空闲时隙无法使用，从而造成时隙资源浪费，通信效率降低。此外，该模型在实现时，节点间同步往往需要利用额外的同步时钟源，造成其实现的复杂度与成本较高。本发明正是针对该模型中存在的问题对其加以改进，实现高效数据传输的方法。

参照图2，本发明的时隙分配方法，两个通信节点在确定自身发送顺序后，先发节点先在两个时隙内向中继节点R发送两个先发通信数据包，后发节点再在接下来的两个时隙内向中继节点R发送两个后发通信数据包，中继节点R在接收通信数据包的时候，同时也对已接收到的数据包进行物理层网络编码与广播。先发节点与后发节点在收到中继广播数据包后，再将自身的数据包与中继广播数据包进行XOR运算后，得到对方的数据包。从以上过程可以看出，两个通信节点完成二次数据包交换总共需要5个时隙就能完成。

以上过程相较于图1中两个通信节点完成一次数据包交换总共需要3个时隙才能完成的过程，减少了时隙消耗，提高了通信效率。

参照图3，本发明的具体步骤如下：

步骤1.中继节点R广播中继数据包。

1a)在最初的起始时隙中，中继节点R先广播第一类中继数据包，该数据包仅用于确定A、B节点发送顺序；

1b)在开始通信后的时隙中，中继节点R再广播第二类中继数据包，该数据包不仅用于确定其他节点的发送顺序，而且包含其他节点的通信数据。

步骤2.两个节点A、B根据接收中继广播数据包情况，进行相应操作。

2a)判断A、B节点是否收到中继数据包：

若A、B节点没有收到中继数据包，则继续等待接收中继数据包。

若A、B节点已收到中继数据包，则执行2b)；

2b)判断A、B节点收到中继数据包的类型：

如果收到中继数据包为第一类数据包，则A、B节点根据收到的第一类中继数据包，确定自身在接下来时隙中的发送顺序；

如果A、B节点根据收到的第二类中继数据包，则先确定自身在接下来时隙中的发送顺序，再通过以下解码分别得到对方的数据：

首先，由先发节点进行解码操作，得到后发节点发送的两个后发通信数据包S1与S2：

然后，由后发节点再进行解码操作，得到先发节点发送的两个先发通信数据包F1与F2：

其中R1与R2为中继节点R广播的两个第二类中继数据包，F1与F2为先发节点发送的两个先发通信数据包，S1和S2为后发节点发送的两个后发通信数据包，为XOR运算。

步骤3.先发节点发送两个先发通信数据包F1与F2。

在A、B节点收到中继数据包后的两个时隙中，在步骤2中确定的先发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个先发通信数据包F1与F2，并将这两个数据包存储至本地。

步骤4.中继节点R根据接收先发通信数据包的情况，进行相应操作。

判断中继节点R是否接收到两个先发通信数据包F1与F2：

若中继节点R没有收到两个先发通信数据包F1与F2，则广播第一类中继数据包；

若中继节点R收到两个先发通信数据包F1与F2，则执行步骤5。

步骤5.后发节点发送两个后发通信数据包S1与S2。

在紧跟先发节点第二个时隙的后两个时隙中，在步骤2中确定的后发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个后发通信数据包S1与S2，并将这两个数据包存储至本地。

步骤6.中继节点R根据接收后发通信数据包的情况，进行相应操作。

判断中继节点R是否接收到两个后发通信数据包S1与S2：

若中继节点R没有收到两个后发通信数据包S1与S2，则广播第一类中继数据包；

若中继节点R收到两个后发通信数据包S1与S2，则执行步骤7。

步骤7.中继节点R对收到的通信数据包进行物理层网络编码操作。

7a)中继节点R接收到一个先发通信数据包F1与一个后发通信数据包S1后，对F1与S1进行物理层网络编码操作：

其中R1为一个第二类中继数据包，为XOR运算；

7b)中继节点R接收到一个先发通信数据包F2与一个后发通信数据包S2后，对F2与S2进行物理层网络编码操作：

其中R2为一个第二类中继数据包，为XOR运算。

步骤8.中继节点R将步骤7中的两个第二类中继数据包R1、R2进行广播，返回步骤2。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于物理层网络编码中继模型的数据无线安全传输方法，其特征在于，包括：

1)设中继节点R在通信过程中有两个操作：一是接收其他节点的通信数据包，二是广播中继数据包，该数据包分为两类：第一类仅用于确定其他节点的发送顺序，第二类不仅用于确定其他节点的发送顺序，而且包含其他节点的通信数据；

2)设通过中继节点R相互通信的两个节点为A和B，在通信过程中，每个节点向中继节点R发送包含通信数据的通信数据包，并接收中继发送的数据包，其中通信数据包分为两类：一是先发节点发送的两个先发通信数据包F1与F2，二是后发节点发送的两个后发通信数据包S1与S2；

3)判断A、B节点是否收到中继节点R广播的中继数据包：

若A、B节点收到的中继数据包为第一类数据包，则A、B节点根据该数据包确定自身在接下来时隙中的发送顺序；

若A、B节点收到的中继数据包为第二类数据包，则A、B节点根据该数据包确定自身在接下来时隙中的发送顺序，同时通过解码分别得到对方的数据；

若A、B节点没有收到中继数据包，则A、B节点继续等待接收中继数据包；

4)在A、B节点收到中继数据包后的两个时隙中，由3)确定的先发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个先发通信数据包F1与F2，并将这两个数据包存储至本地；

5)判断中继节点R是否接收到两个先发通信数据包F1与F2，若收到，则执行6)；否则，继续广播第一类数据包；

6)在紧跟先发节点第二个时隙的后两个时隙中，由3)确定的后发节点依次在每个时隙内向中继节点R发送两个后发通信数据包S1与S2，并将这两个数据包存储至本地；

7)判断中继节点R是否接收到后发通信数据包S1与S2，若收到，则进行执行8)；否则，继续广播第一类数据包；

8)中继节点R在接收到两个先发通信数据包F1与F2和两个后发通信数据包S1与S2后，分别对F1与S1进行物理层网络编码操作和对F2与S2进行物理层网络编码操作，得到两个第二类中继数据包R1、R2；

9)中继节点R将两个第二类中继数据包R1、R2进行广播，返回3)。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，1)中的中继节点R在通信过程中广播中继数据包，是在最初的起始时隙中，中继节点R先广播第一类中继数据包，用于确定A、B节点发送顺序；在开始通信后的时隙中，中继节点R再广播第二类中继数据包。

3.根据权利要求书1所述的方法，其中3)中若A、B节点收到的中继数据包为第二类中继数据包后，通过解码分别得到对方的数据，按如下步骤进行：

首先，由先发节点进行解码操作，得到两个后发通信数据包S1与S2：

然后，由后发节点再进行解码操作，得到两个先发通信数据包F1与F2：

其中R1与R2为两个第二类中继数据包，F1与F2为两个先发通信数据包，S1和S2为两个后发通信数据包，为XOR运算。

4.根据权利要求书1所述的方法，其中8)中的对F1与S1进行的物理层网络编码操作,表示如下：

其中R1为第二类中继数据包，F1为先发通信数据包，S1为后发通信数据包，⊕为XOR运算。

5.根据权利要求书1所述的方法，其中8)中的对F2与S2进行的物理层网络编码操作，表示如下：

其中R2为第二类中继数据包，F2为先发通信数据包，S2为后发通信数据包，⊕为XOR运算。