CN110381561B - 一种缓存辅助的多中继传输系统中基于能效的安全传输方法 - 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能效的安全传输方法，该方法首先对数据包进行RS编码，传输流程包括两个阶段，第一阶段由发送结点向中继发送全部编码包，每个时隙根据所有中继的信道状态信息选择一个中继作为接收端，并根据所选中继的信道状态调整发送功率，以降低被窃听者接收的概率，并提高传输的能量效率。第二阶段由中继向接收结点发送编码包，每个时隙根据中继与接收结点之间的信道状态选择一个中继作为发送端，并调整瞬时发送功率。本发明能够有效降低窃听结点的数据破译概率，并实现较高的传输能量效率。

Description

一种缓存辅助的多中继传输系统中基于能效的安全传输方法

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能效的安全传输方法。

背景技术

在下一代移动通信中需要提供更高的传输速率和更大的系统容量。事实上，现有的4G网络就是一个异构网络，在4G系统中已经部署了许多固定中继和其他类型的无线接入点。在具有异构拓扑的LTE-A系统中，协作通信得到了广泛的应用，提供了更大的系统吞吐量和更高的边缘传输速率。协作通信的研究最早来源于中继技术，通过在信道较差的发送结点与接收结点之间设置中继，借助中继辅助数据传输，从而改善信道质量，扩大传输距离。在协作中继技术中，中继结点不再只是单纯的转发来自发送结点的数据。通过选择合适的中继结点构成一个虚拟天线阵列，系统可以获得空间分集增益，从而提高系统容量。传统的中继具有一定的局限性，由于中继仅具备数据转发功能，因此所选的中继在前一时隙接收到来自源结点的数据后，紧接着在后一时隙就要将数据发送至接收结点，并不能保证所选中继与发送结点和接收结点间的两段链路都是最优的。为了解决传统中继的这一局限性，有研究者提出将中继与缓存技术结合起来，给中继配备大容量的缓存器，中继在接收到数据包后不必在下一个时隙立刻将数据发送出去，而可以等待信道条件更好时再发送至接收结点，从而可以提供更大的吞吐量和分集增益。

有研究表明，中继传输系统不仅能提高系统的吞吐量，还能提供较高的安全传输速率。采用中继选择方式提高传输安全性的原理是，使得所选中继的合法链路的CSI更高，而与窃听者之间的窃听信道的CSI更低，从而实现较高的保密容量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种缓存辅助的多中继传输系统中基于能效的安全传输方法。通过针对合法信道的实时信道状态信息设计中继选择策略，并在发送端加入功率控制策略，该方法能够在提高系统能量效率的基础上实现数据传输的安全性。

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能效的安全传输方法，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K个数据包，假设窃听结点E的位置是随机的，并且在每个传输时隙窃听结点E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)数据传输前，发送结点A首先将数据包进行RS编码，得到M个编码包；

2)传输的第一阶段，在每个传输时隙，发送结点A根据中继选择方法选择一个中继R_m作为数据接收端；

3)发送结点A根据功率控制方法确定发送功率的大小，然后将一个编码包发送至步骤2)所选的中继R_m；

4)重复步骤2)和步骤3)，直到M个编码包全部被传输到中继端，此时第一阶段传输结束；

5)传输的第二阶段，在每个传输时隙，根据中继选择方法选择一个中继R_n作为数据发送端；

6)中继R_n根据功率控制方法确定当前的发送功率，并从本地存储的未被发送过的编码包中选择一个发送至接收结点B；

7)重复步骤6)和步骤7)，直到K个编码包被接收结点B接收。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中的中继选择方法为：从N条发送结点到中继的链路A→R_j中，选择瞬时信道增益

最大的中继，即所选中继R_m为：

其中

为链路A→R_j的瞬时信道增益。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中的功率控制方法为，根据发送结点A与步骤2)所选中继R_m之间链路的瞬时信道增益

确定当前时隙的发送功率，发送结点A的瞬时发送功率为：

其中

为平均发送功率，ρ为平均发送信噪比，σ为接收端可实现的恒定接收信噪比；该系统中任意两个结点之间的信道均为瑞利衰落信道，因此发送结点A与中继R_j之间的信道增益

服从参数为λ_AR的指数分布，则σ的数值满足以下公式：

本发明进一步的改进在于，步骤5)中的中继选择方法为：从N条中继到接收结点B的链路R_j→B中，选择瞬时信道增益

最大的中继，即所选中继R_n为：

其中

为链路R_j→B的瞬时信道增益。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中的功率控制方法为，根据步骤5)所选中继R_n和接收结点B之间链路的瞬时信道增益

确定当前时隙的发送功率；由于中继与接收结点B之间的信道增益服从参数为λ_RB的指数分布，因此发送功率的大小为：

本发明进一步的改进在于，在两个传输阶段，在全部M个编码包中有M-K个编码包被传输过一次，K个编码包被传输过两次；由于窃听结点E在两个阶段均有概率接收到编码包，因此，对于仅发送过一次的编码包，每个编码包被窃听结点E接收到的概率为：

其中λ_AR为通信链路A→R_j的信道增益的参数，λ_AE为通信链路A→E的信道增益的参数；

对于发送过两次的编码包，窃听结点E采用最大比合并译码，提高译码成功的概率；进行最大比合并后，每个编码包的实际接收信噪比为两个接收信号的信噪比之和，则每个编码包被窃听结点E接收的概率为：

其中：

式中，λ_RB为通信链路R_j→B的信道增益的参数，λ_RE为通信链路R_j→E的信道增益的参数；

当窃听结点E接收到的编码包数大于等于K时即可完成译码，破译得到全部数据包；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的多中继传输系统设计了基于能效的中继选择方法，提高了系统的传输安全性和能量效率。在基于能效的中继选择方法中，将中继选择策略与功率控制相结合，每个时隙选择一个信道最好的中继进行数据接收或发送，并在传输时使用了信道反转的功率控制策略，在较好的信道中使用较低的发送功率降低窃听者正确接收的概率，而在较差的信道时增加发送功率，优先保证无中断的传输，提高传输效率。

附图说明

图1为本发明方法的系统模型图；

图2为不同中继数下破译概率随编码包数变化曲线；

图3为不同对比方案下破译概率随编码包数变化曲线；

图4为能量效率随编码包数变化曲线。

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。由于A与B之间相距较远，假设A与B之间无直接通信链路，所有数据的传输必须经过中继。每次传输占用一个时隙，且仅传输一个数据包。此外，在系统中存在一个窃听者E。假设窃听结点E的位置是随机的，并且在每个传输时隙窃听结点E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。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|h_i,j|²是一个服从参数为λ_i,j的指数分布的随机变量。

数据传输前，发送结点首先将数据划分为K个数据包，并采用RS(Reed-SolomonCodes)编码得到M个编码包。传输流程分为两个阶段，第一阶段由发送结点A向中继发送全部M个编码包，在此阶段，每个时隙根据所设计的中继选择策略选择一个中继接收，并根据信道状态调整瞬时发送功率；在第二阶段，每个时隙选择一个中继发送编码包，并根据信道状态调整发送功率，只要接收结点B收到任意K个不同的编码包就可以完成译码，得到原数据包，整个传输结束。

在第一阶段，发送结点A向中继发送全部M个编码包。这一阶段的中继选择策略为，从全部N条发送结点至中继的通信链路A→R_j(1≤j≤N)中选择信道增益

最大的中继作为当前时隙的数据接收端，即所选中继R_m满足：

为保证传输的安全性，降低数据被窃听结点截获的概率，在传输时采用功率控制方案，根据发送结点A与所选中继R_m之间的信道增益

调整瞬时发送功率。发送结点A的瞬时发送功率为：

其中

为平均发送功率，ρ为系统信噪比，σ为接收端可实现的恒定接收信噪比，本系统中任意两个结点之间的信道均为瑞利衰落信道，因此发送结点A与中继R_m之间的信道增益g_m服从参数为λ_AR的指数分布。则σ的数值满足以下公式：

在第二阶段，每个时隙选择一个中继向接收结点B发送一个编码包，直到B接收到K个编码包，完成译码得到全部数据包，此时数据传输结束。在这一个阶段的中继选择策略为：从全部N条中继至接收结点B的通信链路R_j→B(1≤j≤N)中选择信道增益

最大的中继作为当前时隙的数据发送端，即所选中继R_n满足：

此阶段的瞬时发送功率为：

在以上设计的方案中，接收结点B在每个传输时隙均能无中断的接收到编码包，而窃听结点E的数据接收则是有中断的。在两个传输阶段，在全部M个编码包中有M-K个编码包被传输过一次，K个编码包被传输过两次。由于窃听结点E在两个阶段均有概率接收到编码包，因此，对于仅发送过一次的编码包，每个编码包被窃听结点E接收到的概率为：

其中λ_AR为通信链路A→R_j的信道增益的参数，λ_AE为通信链路A→E的信道增益的参数。

对于发送过两次的编码包，窃听结点E采用最大比合并译码，提高译码成功的概率。进行最大比合并后，每个编码包的实际接收信噪比为两个接收信号的信噪比之和，则每个编码包被窃听结点E接收的概率为：

其中：

式中，λ_RB为通信链路R_j→B的信道增益的参数，λ_RE为通信链路R_j→E的信道增益的参数。

当窃听结点E接收到的编码包数大于等于K时即可完成译码，破译得到全部数据包。因此窃听结点E的破译概率为：

能量效率的定义为传输速率与发送功率的比值。在本发明中，接收端以恒定的接收信噪比σ接收编码包，而发送功率为所选中继的信道增益的函数，因此本发明的平均能量效率为：

为了验证本发明的性能，进行了如下的仿真：

发送结点A与中继之间的距离d_AR＝1，A与窃听结点之间的距离d_AE＝2，中继与接受结点和窃听结点的距离分别为d_RB＝1和d_RE＝1。所有信道均为瑞利衰落信道，路劲损耗系数α＝2.6，任意两结点i,j之间的信道参数为

系统的平均发送信噪比ρ＝10dB。为了对比本发明的性能，本发明使用了两个对比方案。对比方案一为单中继传输系统，并使用有中断的信道反转功率控制方案。对比方案二为无功率控制的多中继传输系统。

图2绘制了在不同中继数N下，随着总编码包数M的变化，窃听结点破译概率的理论分析结果与实际仿真值对比曲线。三组曲线对应的中继数从上到下分别为N＝2、N＝4和N＝6。从图中可以看到，每组曲线的仿真值与理论结果基本相符。随着编码包数的增加，三组曲线的破译概率均迅速下降。当编码包数相同时，中继数越多，破译概率越小，这说明本发明充分利用了多中继带来的分集增益保证了传输的安全性。因此，本发明可以有效的降低多中继传输系统中的窃听者破译概率，保障数据的安全传输。

图3展示的是在不同编码包数下，本发明和两个对比方案之间的破译概率对比曲线。从图中可以看到，本发明的破译概率远低于两个对比方案。随着包数的增加，本发明的破译概率迅速下降，而两个对比方案的破译概率变化较小。此外，当中继数增加时，本发明中破译概率下降的程度也要大于对比方案二的破译概率下降程度。这说明本发明能够有效的降低窃听者的破译概率，保证传输的安全性。

图4展示了能量效率随编码包数变化曲线。从图中可以看出，随着包数的增加，本发明的能量效率始终高于两个对比方案，能够实现较高的传输能量效率。

Claims (2)

1.一种缓存辅助的多中继传输系统中基于能效的安全传输方法，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K个数据包，假设窃听结点E的位置是随机的，并且在每个传输时隙窃听结点E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)数据传输前，发送结点A首先将数据包进行RS编码，得到M个编码包；

2)传输的第一阶段，在每个传输时隙，发送结点A根据中继选择方法选择一个中继R_m作为数据接收端；中继选择方法为：从N条发送结点到中继的链路A→R_j中，选择瞬时信道增益

最大的中继，所选中继R_m为：

其中

为链路A→R_j的瞬时信道增益；

3)发送结点A根据功率控制方法确定发送功率的大小，然后将一个编码包发送至步骤2)所选的中继R_m；功率控制方法为，根据发送结点A与步骤2)所选中继R_m之间链路的瞬时信道增益

确定当前时隙的发送功率，发送结点A的瞬时发送功率为：

其中

为平均发送功率，ρ为平均发送信噪比，σ为接收端可实现的恒定接收信噪比；该系统中任意两个结点之间的信道均为瑞利衰落信道，因此发送结点A与中继R_j之间的信道增益

服从参数为λ_AR的指数分布，则σ的数值满足以下公式：

其中λ_AR为通信链路A→R_j的信道增益的参数；

4)重复步骤2)和步骤3)，直到M个编码包全部被传输到中继端，此时第一阶段传输结束；

5)传输的第二阶段，在每个传输时隙，根据中继选择方法选择一个中继R_n作为数据发送端；中继选择方法为：从N条中继到接收结点B的链路R_j→B中，选择瞬时信道增益

最大的中继，所选中继R_n为：

其中

为链路R_j→B的瞬时信道增益；

6)中继R_n根据功率控制方法确定当前的发送功率，并从本地存储的未被发送过的编码包中选择一个发送至接收结点B；功率控制方法为，根据步骤5)所选中继R_n和接收结点B之间链路的瞬时信道增益

确定当前时隙的发送功率；由于中继与接收结点B之间的信道增益服从参数为λ_RB的指数分布，因此发送功率的大小为：

式中，λ_RB为通信链路R_j→B的信道增益的参数；

7)重复步骤6)和步骤7)，直到K个编码包被接收结点B接收。

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能效的安全传输方法，其特征在于，在两个传输阶段，在全部M个编码包中有M-K个编码包被传输过一次，K个编码包被传输过两次；由于窃听结点E在两个阶段均有概率接收到编码包，因此，对于仅发送过一次的编码包，每个编码包被窃听结点E接收到的概率为：

其中，λ_AE为通信链路A→E的信道增益的参数；

对于发送过两次的编码包，窃听结点E采用最大比合并译码，提高译码成功的概率；进行最大比合并后，每个编码包的实际接收信噪比为两个接收信号的信噪比之和，则每个编码包被窃听结点E接收的概率为：

其中：

式中，λ_RE为通信链路R_j→E的信道增益的参数；

当窃听结点E接收到的编码包数大于等于K时即可完成译码，破译得到全部数据包；因此窃听结点E的破译概率为：

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