CN110730452B - 无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法 - Google Patents

Abstract

无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，在Nakagami‑m衰落信道中，当发送者和合法接收者之间无直传链路、发送者和窃听者之间有直传链路时，采用联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击，能够提高无线通信系统保密信息传输的可靠性、有效性和安全性。本发明提出了联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案，研究了两种联合中继和干扰选择方案的性能，包括中断概率、截获概率和安全性‑可靠性折中，验证两种联合中继和干扰选择方案的折中性能分别优于相应的纯中继选择方案，并最终选择折中性能最优的联合中继和干扰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。

Description

无线通信系统中联合中继和干扰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，为一种无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法。

背景技术

无线通信系统在军事、民用通信以及私人信息的传输中起到了非常重要的作用，并已得到广泛的应用。然而，由于无线信道的开放性和信息传输的广播特性，合法信息的传输极易被窃听者成功窃取。因此，除了无线信息传输的可靠性和有效性外，安全性也成为近年来备受关注的一个重要课题。

现有的无线通信系统采用了多种加密技术以防止窃听者窃取加密信息，提高信息传输的安全性，如认证技术和上层数据加密技术。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，物理层安全作为传统数据加密技术的补充，得到了广泛的关注和应用。与传统的上层加密技术不同，物理层安全的本质主要是利用无线信道的物理特性，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。

近年来，多输入多输出(MIMO)技术已被广泛应用于提高无线通信系统的物理层安全，该技术通过在发射节点和接收节点上均配备多根天线来提高系统容量和网络覆盖率。然而，由于终端尺寸和电池功率有限，在无线传感器和手持终端中利用MIMO技术可能不切实际。因此，人们提出利用协同通信来有效提高系统的安全容量。协同通信主要包括协同波束成型和协同干扰两种技术，其中协同波束成型的目的是选择中继节点协助源信号的传输，以增加主信道容量；协同干扰的目的是选择中继节点发送人工干扰以抵抗窃听攻击，以减小窃听信道容量。进一步的，当无线通信网络受到窃听者攻击时，我们可以采用联合波束成型和干扰技术来提高系统的安全容量，并分析此时系统的安全性、可靠性和二者的折中性能。

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、发送者和窃听者之间有直传链路的无线通信系统，本发明提出了联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击的方案，并提出了联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案的中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中表达式；分别就单中继选择、多中继选择方案仿真做性能对比，验证两种联合中继和干扰选择方案的折中性能分别优于相应的纯中继选择方案，并最终选择折中性能最优的联合中继和干扰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：一种无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，在Nakagami-m衰落信道中，当发送者和合法接收者之间无直传链路、且发送者和窃听者之间有直传链路时，采用联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击，并通过分析无线通信网络的性能，包括中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中，选择综合性能最优的联合中继和干扰选择方案来传输信息和抵抗窃听攻击。

具体的，本发明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个译码转发中继节点R，以及1个被动窃听者E，所有节点均只配备一根天线，且均工作于半双工模式，N个中继节点R之间的距离远小于每个中继分别到S、D、E的距离，采用联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择两种方案，保密信息的传输分两个时隙完成，时隙一为发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，E[|x_s|²]＝1，P是无线通信系统总功率，时隙二为采用联合中继和干扰选择方案进行中继转发以及干扰窃听，协助信息转发的中继采用单中继或多中继两种中继选择方法，将能够正确解码x_s的所有中继集合记为

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，进行综合性能分析前，首先获得各个信道的容量，再计算中断概率、截获概率、可靠性-安全性折中，分析两种方案的性能。

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)联合单中继和干扰选择方案：

中断概率

截获概率

2)联合多中继和干扰选择方案：

中断概率

截获概率

选择综合性能最优的联合中继和干扰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。

现有技术专利申请CN 2018115333693《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》也有提出根据性能分析选择中继的方案，CN 2018115333693的方案在其提出的单中继选择和多中继选择的基础上，将未被选中协助加密信息传输的所有中继节点作为干扰节点，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击。本发明与其相比，可以在保证无线通信系统的中断概率不变的同时，进一步降低系统的窃听概率，即提高了无线通信系统的安全性-可靠性折中性能。

本发明提出了一种联合中继和干扰网络性能的分析方法，实现对联合单中继和干扰选择方案、联合多中继和干扰选择方案的选择方案的最佳中继与干扰选择，通过推导、分析两种联合中继和干扰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联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击，提高无线通信系统保密信息传输的可靠性、有效性和安全性；

2、本发明推导并分析了采用联合中继和干扰选择方案的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，并分别与纯中继选择方案做性能对比；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为联合单中继和干扰选择方案的系统模型。

图2为联合多中继和干扰选择方案的系统模型。

图3为本发明当中继个数为4时，联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案、直接传输的中断概率和截获概率与系统传输功率关系的对比仿真图。

图4为本发明当中继个数分别为4、8时，联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案的可靠性-安全性折中与系统传输功率关系的对比仿真图。

图5为本发明当中继个数分别为4、6、8时，联合单中继和干扰选择、单中继选择方案的可靠性-安全性折中与系统传输功率关系的对比仿真图。

图6为本发明当中继个数分别为4、6、8时，联合多中继和干扰选择、多中继选择方案的可靠性-安全性折中与系统传输功率关系的对比仿真图。

具体实施方式

本发明当无线通信系统中发送者和合法接收者之间无直传链路、发送者和窃听者之间有直传链路时，采用联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击，提高无线通信系统保密信息传输的可靠性、有效性和安全性。最后分析无线通信网络的性能，包括中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中，选择合适的通信方案。

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，S和E间有直传链路，故采用N个中继R协助转发加密信息至D，此时E企图窃取加密信息。本发明采用联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择两种方案在协助保密信息转发的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击。本发明分别得到采用两种联合中继和干扰选择方案时系统各节点的接收信号，并由此获得各个信道的容量，根据中断概率、截获概率、可靠性-安全性折中的定义式分析两种方案的性能，最后仿真验证本发明对这两种方案理论分析的正确性和它们各自的特点。

本发明在进行联合中继和干扰选择的无线通信系统中，保密信息的传输分两个时隙完成。时隙一为发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，E[|x_s|²]＝1，表示该信号x_s满足其模的平方的均值为1，也就是信号归一化；由于S和D之间没有直传链路，而S和E之间有直传链路，故保密信息需经N个中继R协助转发至D，特定中继R_i接收到的信号为

同时E将试图窃听由S发送的保密信息，故此时E接收到的信号为

其中h_si、h_se分别是S和R_i、S和E间的信道衰落系数，n_i、n_e分别是R_i、E处的复值加性高斯白噪声。因此，S和R_i、S和E间的信道容量分别为

协助信息转发的中继可以采用单中继、多中继两种中继选择方法。将能够正确解码x_s的所有中继集合记为

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(i＝1,2,...,N)；当

时，

且

其中

是

的补集，R_i R_j分别表示不同的中继。

联合单中继和干扰选择方案的时隙二为从

中选择一个最佳中继R_i以功率P/2转发解码后的x_s至D，同时其余(N-1)个中继节点作为干扰节点J_m，以功率P/4发送人工噪声

人工噪声向量记为

||x_J||₂＝1，表示x_J向量归一化，从而保证发送人工干扰的功率为P/4。故此时D端接收信号为

其中h_id是R_i和D间的信道衰落系数，

是J_m-D间的信道衰落系数，该信道系数向量记为

n_d是D处的复值加性高斯白噪声。x_J设计在h_Jd的零空间，即h_Jd ^Tx_J＝0。故D端接收信号简写为

则R_i和D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。

联合单中继和干扰选择方案中，时隙二只在

中选择一个中继作为“最佳”中继，该“最佳”中继需满足条件

此时主信道状态信息|h_id|²是影响“最佳”中继选择的唯一条件，可通过信道估计的方法获得。选定“最佳”中继后，该中继与D间的信道容量为

选定R_b协助保密信息发送的过程中，存在一个被动窃听者E试图窃听保密信息，故E处的接收信号为

h_be是R_b和E间的信道衰落系数，

是J_m-E间的信道衰落系数，n_e是E处的复值加性高斯白噪声。则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。

联合多中继和干扰选择方案的时隙二为：

中所有中继都参与信息转发，并用权重向量

分配功率P/2，||W||₂＝1，表示向量W归一化，从而保证发送加密信息的功率为P/2；同时其余

个中继以功率P/4发送人工干扰信号

故D、E处接收信号分别为

其中

分别为R_i和D、R_i和E、J_m和D、J_m和E间的信道衰落系数，n_d、n_e分别为D、E处的复值加性高斯白噪声。同样的，

设计在

的零空间，即

故D端接收信号简写为

则D、E处的信噪比分别为

联合多中继和干扰选择方案的时隙二为“最佳”权重向量需满足

由此得到

此时主信道状态信息h_d是影响“最佳”权重向量选择的唯一条件。选定“最佳”权重向量后，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)、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)、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处信道容量小于数据传输速率R_d时，数据传输将中断；当窃听者E处信道容量大于数据传输速率R_d时，保密信息可能会被窃听；在此前提下进行分析对比：

1、性能分析

1)联合单中继和干扰选择方案

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，

且

其中

是

的补集。将信道容量

代入公式(2)得到

由于信道系数的平方，即|h_pq|²((p，q∈S,D,R,E)&(p≠q))均服从Gamma分布，即

其中m_pq为Nakagami-m分布的成型因子，Ω_pq为多径离散分量的平均功率。利用泰勒展开，推导得到Pr(|h_si|²<η)的闭合表达式为：

公式(3)中其余各项的闭合表达式可以类比公式(5)得到。

B.截获概率：

选择S、R到E信道容量较大者作为窃听信道容量，即C_e＝max(C_se,C_be)，上式前四项的闭合表达式同样类比公式(5)得到，主要工作是推导最后一项

公式(7)第三项的推导过程为

设

得到上式第一项为

同时，设

得到上式第二项为

将公式(9)(10)代入公式(8)得到Pr(C_be<R_d)，进一步得到Pr(C_e>R_d)，最终得到截获概率的闭合表达式。

C.可靠性-安全性折中：

2)联合多中继和干扰选择方案

A.中断概率：

公式(12)中前三项均可以类比公式(5)得到。由于多个Gamma分布的和仍为Gamma分布，只是此时成型因子为

故上式第四项为

B.截获概率：

同样选择S、R到E信道容量较大者作为窃听信道容量，即

和公式(7)类似，上式第四项可以表示为

将

代入上式

中得到

由于计算量过大，

无法计算闭合表达式，故联合多中继和干扰选择方案的截获概率只能通过仿真得到数值结果。

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，Gamma分布的成型因子m＝1、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，联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择、直接传输的中断概率、截获概率与系统传输功率的关系。得到如下结论：

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.当传输功率分别大于26dB、24dB时，联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案的中断概率分别优于直接传输；而二者的截获概率始终优于直接传输。

3.联合多中继和干扰选择方案的中断概率始终优于联合单中继和干扰选择方案，但前者的截获概率稍差于后者。

实验二：仿真得到中继个数N＝4、N＝8时，联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择方案的可靠性-安全性折中与系统传输功率的关系。得到如下结论：

1.当中继个数N＝4，传输功率小于21dB时，联合多中继和干扰选择方案的折中性能优于联合单中继和干扰选择方案。同时当传输功率分别为17dB、20dB时，联合多中继和干扰选择方案、联合单中继和干扰选择方案均分别得到最佳折中性能。

2.当中继个数N＝8时，两种联合中继和干扰选择方案的折中性能均有明显提升，表明联合中继和干扰选择方案的折中性能随中继个数的增加而提高。此时，当传输功率小于19dB时，联合多中继和干扰选择方案的折中性能优于联合单中继和干扰选择方案。同时当传输功率分别为14dB、18dB时，联合多中继和干扰选择方案、联合单中继和干扰选择方案均分别得到最佳折中性能，所需功率较N＝4时减小。

3.联合多中继和干扰选择方案必须满足同步要求，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。故联合多中继和干扰选择方案的性能优势是以高复杂度为代价的。

4.综合结论1-3，在实际应用中应根据传输功率的大小及系统对复杂度的具体要求决定选择哪种联合中继和干扰选择方案。

实验三、四：仿真得到中继个数N＝4、N＝6、N＝8时，两种联合中继和干扰选择方案与相应机会中继选择(单中继选择、多中继选择)方案的可靠性-安全性折中与系统传输功率的关系。得到如下结论：

1、当联合中继和干扰选择方案与相应机会中继选择方案的中继个数N相同时，前者的折中性能优于后者，表明了联合中继和干扰选择方案较相应机会中继选择方案具有优势。

2、随着中继个数的增加，两种联合中继和干扰选择方案与相应机会中继选择方案的折中性能均提高，且均以更小的传输功率得到最佳折中性能，该结论与实验二中结论2一致。此时实验三中结论1仍成立。

3、当中继个数增加相同值时，联合单中继和干扰选择方案较单中继选择方案折中性能的增加值大于联合多中继和干扰选择方案较多中继选择方案折中性能的增加值。

Claims (4)

1.一种无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，其特征是在Nakagami-m衰落信道中，当发送者和合法接收者之间无直传链路、且发送者和窃听者之间有直传链路时，采用联合中继和干扰选择方案在协助保密信息传输的同时，发送人工干扰以抵抗窃听者的攻击，并通过分析无线通信网络的性能，包括中断概率、截获概率和安全性-可靠性折中，选择综合性能最优的联合中继和干扰选择方案来传输信息和抵抗窃听攻击；

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个译码转发中继节点R，以及1个被动窃听者E，所有节点均只配备一根天线，且均工作于半双工模式，N个中继节点R之间的距离远小于每个中继分别到S、D、E的距离，采用联合单中继和干扰选择、联合多中继和干扰选择两种方案，保密信息的传输分两个时隙完成，时隙一为发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，E[|x_s|²]＝1，P是无线通信系统总功率，时隙二为采用联合中继和干扰选择方案进行中继转发以及干扰窃听，协助信息转发的中继采用单中继或多中继两种中继选择方法，将能够正确解码x_s的所有中继集合记为

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，进行综合性能分析前，首先获得各个信道的容量，再计算中断概率、截获概率、可靠性-安全性折中，分析两种方案的性能；

其中，时隙二采用联合单中继和干扰选择方案时，从

中选择一个最佳中继R_i以功率P/2转发解码后的x_s至D，同时其余(N-1)个中继节点作为干扰节点J_m，以功率P/4发送人工噪声

人工噪声向量记为

||x_J||₂＝1，此时D端接收信号为

其中h_id是R_i和D间的信道衰落系数，

是J_m和D间的信道衰落系数，该信道衰落系数

的向量记为

n_d是D处的复值加性高斯白噪声，x_J设计在h_Jd的零空间，即h_Jd ^Tx_J＝0，D端接收信号简写为

则R_i和D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；

最佳中继R_i的选择方法为：在

中选择一个中继作为“最佳”中继，该“最佳”中继需满足条件

此时主信道状态信息|h_id|²是影响“最佳”中继选择的唯一条件，通过信道估计的方法获得；选定“最佳”中继后，该中继R_b与D间的信道容量为

选定R_b协助保密信息发送的过程中，存在一个被动窃听者E试图窃听保密信息，故E处的接收信号为

h_be是R_b和E间的信道衰落系数，

是J_m与E间的信道衰落系数，n_e是E处的复值加性高斯白噪声，则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；

采用中断概率OP、截获概率IP、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)、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，数据传输将中断；当窃听者E处信道容量C_e大于数据传输速率R_d时，保密信息可能会被窃听；在此前提下进行两种方案的性能分析对比：

1)联合单中继和干扰选择方案：

中断概率

截获概率

2)联合多中继和干扰选择方案：

中断概率

截获概率

2.根据权利要求1所述的无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，其特征是时隙二联合多中继和干扰选择方案时，

中所有中继都参与信息转发，并用权重向量

分配功率P/2，||W||₂＝1；同时其余

个中继以功率P/4发送人工干扰信号

故D、E处接收信号分别为

和

其中

分别为R_i和D、R_i和E、J_m和D、J_m和E间的信道衰落系数，n_d、n_e分别为D、E处的复值加性高斯白噪声，

设计在

的零空间，即

故D端接收信号简写为

D、E处的信噪比分别为

3.根据权利要求2所述的无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，其特征是用权重向量分配功率时，“最佳”权重向量满足

s.t.||W||＝1，由此得到最佳权重向量

此时主信道状态信息h_d是影响“最佳”权重向量选择的唯一条件，选定“最佳”权重向量后，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。

4.根据权利要求1所述的无线通信系统中联合中继和干扰选择方案的性能分析方法，其特征是时隙一在Nakagami-m衰落信道中进行联合中继和干扰选择时，保密信息的传输分两个时隙完成，时隙一的信道容量计算为：发送者S以功率P/2发送保密信息x_s，E[|x_s|²]＝1，P是无线通信系统总功率，保密信息经N个中继R协助转发至D，中继R_i接收到的信号为

同时E将试图窃听由S发送的保密信息，此时E接收到的信号为

其中h_si、h_se分别是S和R_i、S和E间的信道衰落系数，n_i、n_e分别是R_i、E处的复值加性高斯白噪声，得到S和R_i、S和E间的信道容量分别为

Images