CN109982407B - Noma系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法，具有源节点、至少2个目标节点、若干个中继节点以及窃听节点，所述方法如下：所述源节点向所述目标节点发起通信；所述源节点的通信信号被其中某个所述中继节点接收；某个所述中继节点将接收到的所述通信信号进行处理；所述目标节点接收经步骤S3处理的通信信号。本发明的有益效果在于联合考虑NOMA系统中目标节点的安全容量，可直接提升系统的最终安全容量，降低截断概率。本发明通过中继选择方式，以最优选择策略，兼顾考虑目标节点的安全容量，使用较小的计算复杂度，提升系统总容量。

Description

NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法。
背景技术
随着无线互联网的迅猛发展，下一代无线通信系统需要应对海量的连接请求与数据传输需求。非正交多址接入技术(NOMA)因其能够提供较高的频谱效率，已经被采纳为5G核心技术。IEEE communications letters在2016年3月第20期刊出论文”Uplink Non-orthogonal Multiple Access in 5G Systems”,详细介绍NOMA技术在上行5G系统中的应用，从理论上分析了其速率和的闭式表达式，结果显示，相比于传统的正交多址接入系统，NOMA技术可明显提升系统容量。基于NOMA技术的通信系统可在有限的无线频谱约束下，提供比正交多址接入系统更多的系统容量，并可根据用户的服务质量需求，采用灵活的调制编码方式，以进一步降低多用户干扰。
然而，当存在窃听用户条件下，NOMA通信系统下的安全通信问题却没有得到应有的关注。因此，研究NOMA通信系统中的安全传输机制问题，显得尤其迫切。
近年来的专利中有部分关注上述问题，比如：用于非正交多址系统的用户配对方法(专利申请号201710818319.9)考虑不可信终端用户之间的配对问题；以及一种基于非正交多址接入的物理层安全传输系统(专利申请号201810232953.9)考虑单中继条件下安全通信问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法。进一步的，本发明通过对NOMA通信系统中等效的安全容量最大化为目标，同时兼顾两个数据流的安全传输需求，以两个数据流中最小安全容量最大化为选择准则，选择中最优的中继节点，以此来提升系统的安全容量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法，具有源节点、至少2个目标节点、若干个中继节点以及窃听节点，其特征在于，所述方法如下：
S1所述源节点向所述目标节点发起通信；
S2所述源节点的通信信号被其中某个所述中继节点接收；
S3某个所述中继节点将接收到的所述通信信号进行处理；
S4所述目标节点接收经步骤S3处理的通信信号。
需要说明的是，所述窃听节点通过无线信号对所述中继节点进行窃听。
需要说明的是，所述步骤S3中的中继节点的处理方式为放大转发所述通信信号，再将所述通信信号发送至所述目标节点。
需要说明的是，当进行所述放大转发的工作方式时，所述目标节点的信干噪比为：
上式中，α1与α2分别为两个数据流对应的功率分配因子，其满足总和为：α1+α2＝1；PS为源节点的发射功率，un表示源节点到中继节点无线链路的衰落功率；gn,1表示中继节点到D1节点的无线链路的衰落功率；σ2表示接收节点的高斯白噪声功率；κn表示中继节点的放大因子。
需要说明的是，还包括步骤S4.1，当所述目标节点接收所述处理后的通信信号时，进行串行干扰抵消。
需要说明的是，进行所述串行干扰抵消后，第一个数据流s1等效的信干噪比为：
上式中，gn,2表示中继节点到目标节点的无线链路的衰落功率。
需要说明的是，对进行所述串行干扰抵消后获得了第一个数据流s1，第二个数据流s2等效的信干噪比为：
需要说明的是，当所述窃听节点进行干扰抵消时，数据流对应的信干噪比分别为：
需要说明的是，所述数据流的安全容量为：
需要说明的是，最优中继选择准则可表示为：
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过中继选择方式来增强NOMA系统的安全容量，以提升系统的安全特性
2、中继选择方式以最小化安全容量最大化为准则，通过上述选择准则来提升系统的安全传输能力
3、本发明也可应用于多个目标节点系统中，将中继与目标节点进行联合选择，以进一步提升系统安全容量。
附图说明
图1为本发明通信信号传输示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统及其方法，具有源节点、至少2个目标节点、若干个中继节点以及窃听节点，其特征在于，所述方法如下：
S1所述源节点向所述目标节点发起通信；
S2所述源节点的通信信号被其中某个所述中继节点接收；
S3某个所述中继节点将接收到的所述通信信号进行处理；
S4所述目标节点接收经步骤S3处理的通信信号。
需要说明的是，所述窃听节点通过无线信号对所述中继节点进行窃听。
需要说明的是，所述步骤S3中的中继节点的处理方式为放大转发所述通信信号，再将所述通信信号发送至所述目标节点。
需要说明的是，当进行所述放大转发的工作方式时，所述目标节点的信干噪比为：
上式中，α1与α2分别为两个数据流对应的功率分配因子，其满足总和为：α1+α2＝1；Ps为源节点的发射功率，un表示源节点到中继节点无线链路的衰落功率；gn,1表示中继节点到D1节点的无线链路的衰落功率；σ2表示接收节点的高斯白噪声功率；κn表示中继节点的放大因子。
需要说明的是，还包括步骤S4.1，当所述目标节点接收所述处理后的通信信号时，进行串行干扰抵消。
需要说明的是，进行所述串行干扰抵消后，第一个数据流s1等效的信干噪比为：
上式中，gn,2表示中继节点到目标节点的无线链路的衰落功率。
需要说明的是，对进行所述串行干扰抵消后获得了第一个数据流s1，第二个数据流s2等效的信干噪比为：
需要说明的是，当所述窃听节点进行干扰抵消时，数据流对应的信干噪比分别为：
需要说明的是，所述数据流的安全容量为：
需要说明的是，最优中继选择准则可表示为：
实施例
本发明的应用场景如图1所示，系统中包含一个源节点S，两个目标节点D1和D2，N个中继节点，R1,R2,…,RN,以及一个窃听节点E。由于源节点与目标节点之间距离较远，需要经过中继节点转发辅助，才能完成通信过程。中继节点可使用放大转发方式进行工作。窃听节点只对中继节点进行无线信号窃听。
当中继节点采用放大转发工作模式时，D1节点的信干噪比为：
上式中，α1与α2分别为两个数据流对应的功率分配因子，其满足总和为：α1+α2＝1。PS为源节点的发射功率，un表示源节点到中继节点无线链路的衰落功率；gn,1表示中继节点到D1节点的无线链路的衰落功率；σ2表示接收节点的高斯白噪声功率。κn表示中继节点的放大因子。
同理，对于D2节点，首先采用串行干扰抵消(SIC)，将干扰信号进行抵消。此时，第一个数据流s1等效的信干噪比为：
上式中，gn,2表示中继节点到D2节点的无线链路的衰落功率.
经过SIC处理之后，对于第二个数据流s2等效的信干噪比为：
同理，对于窃听节点，假设其计算能力足够强大，可实现并行干扰抵消。此时，两个数据流对应的信干噪比分别为：
根据安全容量定义，两个数据流的安全容量为：
通过中继选择，可以有效提升系统的安全容量。最优中继选择准则可表示为：
本发明通过对NOMA通信系统中等效的安全容量最大化为目标，同时兼顾两个数据流的安全传输需求，以两个数据流中最小安全容量最大化为选择准则，选择中最优的中继节点，以此来提升系统的安全容量。
当系统中无法获取窃听节点的信道状态信息时，我们可将上述选择准则进行简化，只选择两个节点的最小容量最大化，即：
本发明的创造性特点是联合考虑NOMA系统中目标节点的安全容量，可直接提升系统的最终安全容量，降低截断概率。本发明通过中继选择方式，以最优选择策略，兼顾考虑目标节点的安全容量，使用较小的计算复杂度，提升系统总容量。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，具有源节点、至少2个目标节点、若干个中继节点以及窃听节点，其特征在于，所述系统如下：
S1所述源节点向所述目标节点发起通信；
S2所述源节点的通信信号被其中某个所述中继节点接收；
S3某个所述中继节点将接收到的所述通信信号进行处理；
S4所述目标节点接收经步骤S3处理的通信信号；
S5通过中继选择方式来增强NOMA系统的安全容量；
还包括步骤S4.1，当所述目标节点接收所述处理后的通信信号时，进行串行干扰抵消；
当所述窃听节点进行干扰抵消时，数据流对应的信干噪比分别为：
上式中，α1与α2分别为两个数据流对应的功率分配因子，其满足总和为：α1+α2＝1；PS为源节点的发射功率，un表示源节点到中继节点无线链路的衰落功率；σ2表示接收节点的高斯白噪声功率；κn表示中继节点的放大因子；
所述数据流的安全容量为：
上式中，表示当进行放大转发的工作方式时目标节点的信干噪比，/>表示第二个数据流s2等效的信干噪比；
最优中继选择准则可表示为：
2.根据权利要求1所述的NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，其特征在于，所述窃听节点通过无线信号对所述中继节点进行窃听。
3.根据权利要求1所述的NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，其特征在于，所述步骤S3中的中继节点的处理方式为放大转发所述通信信号，再将所述通信信号发送至所述目标节点。
4.根据权利要求3所述的NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，其特征在于，当进行所述放大转发的工作方式时，所述目标节点的信干噪比为：
上式中，gn,1表示中继节点到D1节点的无线链路的衰落功率。
5.根据权利要求1所述的NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，其特征在于，进行所述串行干扰抵消后，第一个数据流s1等效的信干噪比为：
上式中，gn,2表示中继节点到目标节点的无线链路的衰落功率。
6.根据权利要求1所述的NOMA系统中基于中继选择的安全传输系统，其特征在于，对进行所述串行干扰抵消后获得了第一个数据流s1，第二个数据流s2等效的信干噪比为：
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