CN110290558A - 一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法。本发明使用LT编码，包括两个阶段，第一阶段由发送结点向中继和接收结点广播编码包。当有L个中继接收到足够数量的编码包，能够完成LT译码得到全部数据包后就停止此阶段的传输，以减少传输时延和数据被窃听的概率。在第二阶段，由L个获得了全部数据包的中继首先重新进行LT编码，且仅对未被接收结点获得的数据包进行编码，从而减少冗余传输。在这一阶段，每个时隙根据中继选择方法选择一个中继作为发送端，以提高传输的安全性和传输效率。本发明通过调整第一阶段完成译码的中继数使得实际传输时延满足业务要求，并能够有效的降低窃听结点的数据破译概率，实现高效安全的数据传输。

Description

一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法。

背景技术

缓存辅助中继系统是5G超密集异构网络的重要研究方向之一。借助于临时缓存数据的方式，缓存辅助中继系统打破了传统中继的一发一收的固定模式，并突破了这一模式对系统吞吐量和传输效率的局限性。在缓存辅助中继传输中，中继不必在接收到数据的下一时隙立刻将其发送出去，而是可以临时存储在缓存中，直到链路质量较好时再传送至接收结点，从而使得传输策略能够针对时变信道进行自适应的调整，从而进一步的提高传输性能。随着缓存辅助中继技术的发展，研究者开始对缓存辅助中继系统中的安全传输问题进行相关研究。由于在缓存辅助中继系统中，备选的链路数增加了一倍，因此通过中继选择策略实现的保密容量也随之增加。

在中继辅助的无线通信系统中，中继数的增加可以有效的提高系统容量及传输的稳定性，但是多中继系统也同时面临着更高的能量消耗和更大的传输时延。在无线通信业务中，存在着许多具有时延受限特性的业务，这类业务对传输时延较为敏感，其数据的传输时间受到最大传输时延的限制。一旦实际传输时间超过最大传输时延，则服务质量将会严重降低，甚至可能导致服务被迫中断。利用中继协作通信可以缩短每一跳的传输距离，减少无线传输中可能遭遇的路径损耗，提高传输速率。但是加入中继辅助传输后，数据需要两跳或者多跳传输才能到达接收结点，因而使用中继辅助传输有可能带来功耗与时延方面的增加。因此针对以上问题，研究了面向时延受限业务的缓存辅助多中继安全传输问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法。针对时延受限业务具有最大传输时延限制的特性，提出了一个基于时延的中继选择策略和传输方案，在保障数据传输安全的前提下，降低传输时延。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，该多中继传输系统包括一个发送结点A、N个中继结点R_j、一个接收结点B和一个窃听结点E，且1≤j≤N，所有结点都配置单副天线，中继工作于半双工模式，并采用译码转发协议，待发送数据被划分为M个数据包，在接收结点B附近存在一个窃听结点E，窃听结点E在每个传输时隙均试图窃听在无线信道中传输的数据；该方法包括以下步骤：

1)首先发送结点A对数据包进行LT编码，得到编码包；

2)在传输的第一阶段，由发送结点A向所有中继结点和接收结点B广播编码包，直到有L个中继结点接收到足够多的编码包，完成LT译码得到全部数据包，此时停止第一阶段的传输；

3)在传输的第二阶段，获得全部数据包的L个中继重新对进行LT编码，仅对未被接收结点B获得的数据包进行编码；

4)在每个传输时隙，根据中继选择方法选择一个中继结点R_m向接收结点B发送一个编码包；

5)重复步骤4)，直到接收结点B收到足够多的编码包，完成译码得到全部数据包。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，当中继结点接收到任意个不同的编码包后，就能完成LT译码并得到全部数据包，其中M为数据包的个数，δ为LT码的译码开销，为下取整函数；每当有一个中继完成译码后，就向发送结点A反馈一个ACK信号；当发送结点A接收到L个ACK信号，即有L个中继完成译码后，就停止第一阶段的传输。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在传输的第一阶段，N个中继结点、接收结点B和窃听结点E的传输中断概率分别为：

其中λ_AR、λ_AB和λ_AE分别为发送结点A与中继结点、接收结点B和窃听结点E之间通信链路的信道参数，R_target为数据目标传输速率；

在每个时隙，每个中继结点均以1-ε_AR的概率接收编码包，直到接收到K个编码包后完成译码得到数据包，则第i个中继结点完成译码所用时隙数为的概率密度函数和累积分布函数为：

当L个中继完成译码时，第一阶段传输停止；因此第一阶段传输时隙数为τ₁的概率密度函数为：

接收结点B在第一阶段以1-ε_AB的概率接收编码包；当第一阶段传输时隙数为τ₁时，接收结点B在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

窃听结点E在第一阶段以1-ε_AE的概率接收编码包，当第一阶段传输时隙数为τ₁时，窃听结点E在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，首先接收结点B将已译码获得的数据包序号发送至L个中继，中继将剩余未被接收结点B译码获得的数据包进行LT编码，然后在每个时隙选择一个中继进行编码包的传输。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中的中继选择方法为：从N条中继结点到接收结点B的通信链路R_j→B中，选择瞬时信道增益最大的中继，即所选中继结点R_m为：

本发明进一步的改进在于，令表示所选中继R_m与接收结点B之间通信链路的瞬时信道增益，在传输的第二阶段，接收结点B的传输中断概率为：

式中λ_RB为中继R_m与接收结点B之间通信链路的信道参数；

而窃听结点E在第二阶段的传输中断概率为：

式中λ_RE为中继R_m与窃听结点E之间通信链路的信道参数；

当第一阶段传输时隙数为τ₁，接收结点B在第二阶段接收到的编码包数为k₁时，接收结点B只要在第二阶段接收到K-k₁个编码包就能完成译码；则第二阶段传输时隙数为τ₂的概率密度函数为：

而此时窃听结点E能接收到的编码包数为k₂的概率为：

总传输时延是两个阶段的传输时延之和，因此得到总传输时延为τ的概率密度函数：

对上式求期望就得到了系统的平均传输时延：

窃听结点E接收到的总编码包数是其在两个阶段接收到的编码包数之和，则窃听结点E接收到的总编码包数为k的概率为：

当窃听结点E接收到的编码包数k≥K时即可完成LT译码，得到全部数据包；因此窃听结点E的破译概率为：

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明针对缓存辅助中继传输系统中的时延受限业务的安全传输问题，设计了一种一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法。在所述方法中，在传输的第一阶段使用多播传输降低传输时延，并通过调整第一阶段完成LT译码的中继数，使得系统的实际传输时延满足业务时延需求。在传输的第二阶段，通过所设计的中继选择方法保障传输的安全性，提高传输效率。本发明可以有效的降低窃听者的破译概率，并改善系统的传输时延性能。

附图说明

图1为本发明方法的系统模型图；

图2为各阶段传输时延随第一阶段完成译码的中继数变化图；

图3为破译概率随第一阶段完成译码的中继数变化图；

图4为窃听结点破译概率随数据包数变化图；

图5为平均传输时延随数据包数变化图；

图6为破译概率随窃听结点到中继的距离变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

参考图1，本发明的系统模型图具体描述如下：

在缓存辅助的多中继两跳通信系统，系统模型包括一个发送结点A、N个配备了缓存设备的中继节点R_j(1≤j≤N)、一个合法接收结点B和一个窃听结点E。所有结点都配置单天线。中继工作在半双工模式，采用译码转发协议。中继配备了缓存器，因此能够将接收到的数据存储至缓存器中。假设A与B之间存在直接通信链路，但由于A与B之间相距较远，因此通信链路的质量较差。每次传输占用一个时隙，且仅传输一个数据包。此外，在接收结点B附近存在一个窃听结点E，窃听结点E在每个传输时隙均试图窃听在无线信道中传输的数据。窃听结点E既有可能窃听到发送结点A向中继发送的数据，也有可能窃听到中继向接收结点B发送的数据。系统的发送信噪比为ρ。所有通信链路被为块平坦瑞利衰落信道，任意两个结点i,j之间通信链路的信道增益g_i,j是一个服从参数为λ_i,j的指数分布的随机变量。假设数据目标传输速率为R_target，当任意两个结点i,j之间的通信链路的瞬时接收信噪比γ_i,j＝ρg_i,j满足log₂(1+γ_i,j)≥R_target时，结点i发送的数据能够被结点j正确接收到，否则结点i向结点j的传输发生中断。

首先发送结点A将传输数据划分为M个数据包，并对数据包进行LT编码。整个传输流程分为两个阶段：第一阶段由发送结点A向所有中继和接收结点B广播编码包。此阶段的传输目标为保证中继的接收，使得中继接收到足够数量的编码包，完成LT译码并得到全部数据包。当有L个中继完成译码后就停止第一阶段的传输。在第一阶段，接收结点B也能接收到编码包，但由于A与B之间的信道较差，B仅能接收到一部分编码包，译码得到一部分数据包。在传输的第二阶段，由完成译码的L个中继对数据包重新编码后向接收结点B发送，且每个时隙选择一个中继进行编码包的传输。

下面详细介绍两个阶段的传输流程。

在第一阶段传输开始前，发送结点A先对数据包进行LT编码，然后将编码包广播至N个中继结点和接收结点B。当中继结点接收到任意个不同的编码包后，就能完成LT译码并得到全部数据包，其中M为数据包的个数，δ为LT码的译码开销，为下取整函数。每当有一个中继完成译码后，就向发送结点A反馈一个ACK信号。当发送结点A接收到L个ACK信号，即有L个中继完成译码后，就停止第一阶段的传输。

在传输的第一阶段，N个中继结点、接收结点B和窃听结点E的传输中断概率分别为：

其中λ_AR、λ_AB和λ_AE分别为发送结点A与中继结点、接收结点B和窃听结点E之间通信链路的信道参数，R_target为数据目标传输速率。

在每个时隙，每个中继结点均以1-ε_AR的概率接收编码包，直到接收到K个编码包后可以完成译码得到数据包。则第i个中继结点完成译码所用时隙数为的概率密度函数和累积分布函数为：

当L个中继完成译码时，第一阶段传输停止。因此第一阶段传输时隙数为τ₁的概率密度函数为：

接收结点B在第一阶段以1-ε_AB的概率接收编码包。当第一阶段传输时隙数为τ₁时，接收结点B在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

窃听结点E在第一阶段以1-ε_AE的概率接收编码包，当第一阶段传输时隙数为τ₁时，窃听结点E在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

在传输的第二阶段，由L个完成LT译码的中继向接收结点B发送编码包。首先接收结点B将已译码获得的数据包序号发送至L个中继，中继将剩余未被接收结点B译码获得的数据包进行LT编码，然后在每个时隙选择一个中继进行编码包的传输。中继选择方法为：选择瞬时接收信噪比最大的中继，即所选中继满足：

令表示所选中继R_m与接收结点B之间通信链路的瞬时信道增益，在传输的第二阶段，接收结点B的传输中断概率为：

式中λ_RB为中继R_m与接收结点B之间通信链路的信道参数。

而窃听结点E在第二阶段的传输中断概率为：

式中λ_RE为中继R_m与窃听结点E之间通信链路的信道参数。

当第一阶段传输时隙数为τ₁，接收结点B在第二阶段接收到的编码包数为k₁时，接收结点B只要在第二阶段接收到K-k₁个编码包就能完成译码。则第二阶段传输时隙数为τ₂的概率密度函数为：

而此时窃听结点E能接收到的编码包数为k₂的概率为：

总传输时延是两个阶段的传输时延之和，因此得到总传输时延为τ的概率密度函数：

对上式求期望就得到了系统的平均传输时延：

窃听结点E接收到的总编码包数是其在两个阶段接收到的编码包数之和，则窃听结点E接收到的总编码包数为k的概率为：

当窃听结点E接收到的编码包数k≥K时即可完成LT译码，得到全部数据包。因此窃听结点E的破译概率为：

为了验证本发明的性能，进行了如下的仿真：所有信道服从瑞利衰落信道，任意两个结点i,j之间的信道参数为其中α为路径损耗系数且α＝2.6，d_i,j为结点i,j之间的距离。假设发送结点A与中继之间的距离d_AR＝1，A与接收结点B和窃听结点E之间的距离分别为d_AB＝2.5和d_AE＝2.5，中继与接收结点B和窃听结点E之间的距离分别为d_RB＝1.5和d_RE＝1.5。系统的平均信噪比为ρ＝10dB。本发明使用以下两种对比方案：对比方案一为单中继传输，在传输中不使用编码，而是采用重传的策略；对比方案二中发送结点与接收结点之间无中继，并使用动态喷泉编码策略。

图2绘制了各阶段传输时延随第一阶段完成译码的中继数L的变化曲线。从图中可以看出，随着L的增加，第一阶段的传输时延τ₁呈线性上升趋势，而第二阶段的传输时延τ₂则呈指数下降的趋势。当L较小时，随着L的增加，τ₂的下降速度大于τ₁的上升速度，总时延呈下降趋势；当L较大时，τ₂的下降速度变缓，因此总时延呈上升趋势。这说明本发明可以通过调整第一阶段完成译码的中继数L而改变传输时延，但这种调整存在下界。

图3绘制了公式(18)中的破译概率P_Intercept随第一阶段完成译码的中继数L的变化曲线。从图中可以看出，随着L的增加，破译概率不断下降。因此当L较小时，随着L的增加，总传输时延和破译概率两个性能指标均有所提升；而当L较大时，总传输时延和破译概率之间出现权衡关系。

图4给出了不同数据包数下窃听结点的破译概率变化图。从图中可以看出，在三个方案中，本发明的破译概率始终低于两个对比方案。随着数据包数的增加，三个方案的破译概率都有所下降，其中本发明的下降趋势最明显。这表明本发明能够实现较高的传输安全性。

图5给出了不同数据包数下系统的传输时延变化图。随着数据包数的增加，三个方案的传输时延都增加，但本发明的传输时延始终小于两个对比方案，且本发明的时延增加最缓慢。此外，与无中继传输系统和单中继传输系统相比，本发明中的多中继辅助传输并不会导致传输时延的增加。

图6给出了当中继与窃听结点之间的距离变化时，破译概率的变化曲线。从图中可以看出，随着距离的增加，本发明的破译概率始终低于两个对比方案。由于距离增加，窃听结点的信道变差，因此三个方案的破译概率均有所下降，本发明的下降速率最快。因此本发明能够有效的降低窃听者的破译概率，提高传输效率。

Claims (6)

1.一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，该多中继传输系统包括一个发送结点A、N个中继结点R_j、一个接收结点B和一个窃听结点E，且1≤j≤N，所有结点都配置单副天线，中继工作于半双工模式，并采用译码转发协议，待发送数据被划分为M个数据包，在接收结点B附近存在一个窃听结点E，窃听结点E在每个传输时隙均试图窃听在无线信道中传输的数据；该方法包括以下步骤：

1)首先发送结点A对数据包进行LT编码，得到编码包；

2)在传输的第一阶段，由发送结点A向所有中继结点和接收结点B广播编码包，直到有L个中继结点接收到足够多的编码包，完成LT译码得到全部数据包，此时停止第一阶段的传输；

3)在传输的第二阶段，获得全部数据包的L个中继重新对进行LT编码，仅对未被接收结点B获得的数据包进行编码；

4)在每个传输时隙，根据中继选择方法选择一个中继结点R_m向接收结点B发送一个编码包；

5)重复步骤4)，直到接收结点B收到足够多的编码包，完成译码得到全部数据包。

2.根据权利要求1所述的一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，步骤2)中，当中继结点接收到任意个不同的编码包后，就能完成LT译码并得到全部数据包，其中M为数据包的个数，δ为LT码的译码开销，为下取整函数；每当有一个中继完成译码后，就向发送结点A反馈一个ACK信号；当发送结点A接收到L个ACK信号，即有L个中继完成译码后，就停止第一阶段的传输。

3.根据权利要求2所述的一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，步骤2)中，在传输的第一阶段，N个中继结点、接收结点B和窃听结点E的传输中断概率分别为：

其中λ_AR、λ_AB和λ_AE分别为发送结点A与中继结点、接收结点B和窃听结点E之间通信链路的信道参数，R_target为数据目标传输速率；

在每个时隙，每个中继结点均以1-ε_AR的概率接收编码包，直到接收到K个编码包后完成译码得到数据包，则第i个中继结点完成译码所用时隙数为的概率密度函数和累积分布函数为：

当L个中继完成译码时，第一阶段传输停止；因此第一阶段传输时隙数为τ₁的概率密度函数为：

接收结点B在第一阶段以1-ε_AB的概率接收编码包；当第一阶段传输时隙数为τ₁时，接收结点B在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

窃听结点E在第一阶段以1-ε_AE的概率接收编码包，当第一阶段传输时隙数为τ₁时，窃听结点E在这一阶段接收到的编码包数k₁为的概率为：

4.根据权利要求3所述的一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，步骤3)中，首先接收结点B将已译码获得的数据包序号发送至L个中继，中继将剩余未被接收结点B译码获得的数据包进行LT编码，然后在每个时隙选择一个中继进行编码包的传输。

5.根据权利要求4所述的一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，步骤4)中的中继选择方法为：从N条中继结点到接收结点B的通信链路R_j→B中，选择瞬时信道增益最大的中继，即所选中继结点R_m为：

6.根据权利要求5所述的一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法，其特征在于，令表示所选中继R_m与接收结点B之间通信链路的瞬时信道增益，在传输的第二阶段，接收结点B的传输中断概率为：

式中λ_RB为中继R_m与接收结点B之间通信链路的信道参数；

而窃听结点E在第二阶段的传输中断概率为：

式中λ_RE为中继R_m与窃听结点E之间通信链路的信道参数；

当第一阶段传输时隙数为τ₁，接收结点B在第二阶段接收到的编码包数为k₁时，接收结点B只要在第二阶段接收到K-k₁个编码包就能完成译码；则第二阶段传输时隙数为τ₂的概率密度函数为：

而此时窃听结点E能接收到的编码包数为k₂的概率为：

总传输时延是两个阶段的传输时延之和，因此得到总传输时延为τ的概率密度函数：

对上式求期望就得到了系统的平均传输时延：

窃听结点E接收到的总编码包数是其在两个阶段接收到的编码包数之和，则窃听结点E接收到的总编码包数为k的概率为：

当窃听结点E接收到的编码包数k≥K时即可完成LT译码，得到全部数据包；因此窃听结点E的破译概率为：