CN110784866A - 一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输方法，包括如下步骤：S1、通过不可信中继传输网络第一时隙获得信源节点S的初始信息U_s；同时，通过不可信中继传输网络第二时隙获得中继节点R的解码信息U_r；S2、根据信源节点S的初始信息U_s和中继节点R的解码信息U_r对阻塞容错解码转发方式构建等效模型；S3、通过信源节点S和中继节点R到目的节点的链路关系对等效模型进行计算生成允许速率区域C；S4、计算允许速率区域的条件，判断等效模型中U_s的速率R_sd和U_r的速率为R_sr是否落入速率区域；S5、计算等效模型的可靠安全概率，该方法可以提高不可信中继系统的可靠和安全性能，在保证信息可靠传输的同时，提高信号的安全性。

Description

一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输 方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输方法。

背景技术

物理层安全在过去十年中引起了极大的关注，它旨在从信息论的角度保护保密信息的传输。最近一系列的解决方案使用中继来减轻窃听攻击，即提高合法信道的通信质量或降低窃听信道的通信质量，其中包括中继选择、协同干扰、波束形成等。但是中继节点也可能是一个潜在的窃听者，它也可能会窃听从信源节点发送的机密消息。在某些情况下，中继可能并不打算窃听机密信息，但它无权访问机密信息，即它的可信度较低。在这两种情况下，中继都应该被视为不受信任。在不可信中继网络中，关键问题是如何借助中继节点成功地将信息从信源节点传输到目标节点，同时对不可信中继节点保密。

在现有的不可信中继网络的解决方案中，中继节点都被假定为使用放大转发(amplify-and-forward，AF)或压缩转发(compress-and-forward，CF)协议，而解码转发(decode-and-forward，DF)中继被认为是不合适的。其主要问题在于，当不可信中继网络采用DF协议时，如果中继节点成功解码，传输的信息就会被中继节点获得，进而收到威胁；另一方面，如果中继节点不能正确解码，就会丢弃它，这意味着中继节点不能帮助提高传输的可靠性，也无法实现分集增益。为此在不可信中继网络中，使用DF协议的可靠性和安全性是相互矛盾的，但是作为最广泛采用的协议，当中继节点接近信源节点时，DF具有优于AF 和CF的性能。因此利用DF协议为不可信中继网络开发可靠、安全的解决方案，并对其性能进行理论分析，是一个巨大的挑战。

对于AF或是CF协议，在信源节点发射功率过大时，仍然会导致消息被不可信中继节点窃取，因此如何降低高信噪比条件下保密信息被窃听的概率是一个必须解决的问题。在不可信中继系统中，使用目的节点发射阻塞信号是一个实现保密信道的有效方法，这种方法被称为协作阻塞(cooperative-jamming，CJ)，它既保证中继节点接收到的信噪比不会随着信源节点发射功率增大而增加，又能保证目的节点接收的消息稳定传输。

发明内容

本发明旨在解决不可信中继网络中DF协议的适配问题并且提供了阻塞信号进行辅助传输。主要目标是将DF协议应用到不可信中继网络当中，使得该网络可以在保密的情况下传输数据，并获得较高的可靠性和安全性，即使是在信噪比较高的环境当中。

为了克服上述问题，弥补技术上的不足，提出了一种基于阻塞式容错解码转发(DF-IE-CJ) 的不可信中继传输网络安全传输方法，在物理层安全的约束下，提高不可信中继系统的可靠和安全性能，在保证信息可靠传输的同时，提高信号的安全性。

本发明采用如下技术方案予以实施方式：

1、一种基于容错解码转发的不可信中继传输网络安全传输方法(阻塞)，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过不可信中继传输网络第一时隙获得信源节点S的初始信息U_s；同时，通过不可信中继传输网络第二时隙获得中继节点R的解码信息U_r；

S2、根据信源节点S的初始信息U_s和中继节点R的解码信息U_r对阻塞容错解码转发方式构建等效模型；

S3、通过信源节点S到中继节点R链路关系对等效模型进行计算生成允许速率区域C；

S4、计算允许速率区域的条件，判断等效模型中U_s的速率R_sd和U_r的速率为R_sr是否落入速率区域；

S5、计算等效模型的可靠安全概率。

所述步骤S2采用阻塞容错解码转发方式：

2.1、在不可信中继传输网络的在第一时隙中，信源节点S先从独立同分布的二进制源生成一个初始信息U_s，再以广播方式向中继节点R和目的节点D发送信息，目的节点D在接收消息的同时生成一个随机的阻塞信号U_d向中继节点R广播；

2.2、在不可信中继传输网络的在第二时隙中，中继节点R对在第一时隙中收到的消息进行解码得到的U_s估计值表示为U_r，

2.3、中继节点R解码消息后无论是否解码成功都需要将解码后的信息重新编码发送至目的节点D，目的节点D在完成信息接收后对这两个时隙接收的信号进行合并处理。

有益效果

本发明提出的基于阻塞式容错解码转发的不可信中继传输网络安全传输方法，具有如下优点：

1、提出了一种基于解码转发的不可信中继系统，其中继节点采用改进的解码转发协议，无需进行大的改动，降低了中继节点的运算复杂度，弥补了解码转发在不可信中继网络中应用的空白。

2、在系统中加入了阻塞信号，使得在高信噪比的情况下依旧可以得到比较好的安全性。

3、计算和仿真表明使用DF-IE-CJ协议的中继网络的可靠-安全概率要优于传统的使用 CJ协议的网络，尤其是在信噪比较低的情况下，这说明DF-IE-CJ协议可以有效的提高不可信中继网络的物理层安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明整体流程图；

图2是本发明涉及的等效模型示意图；

图3是本发明基于阻塞容错解码方法流程图；

图4为该系统中容许通信的区域，当R_rd和R_sd落在c区域当中时，目的节点可以成功的获取到消息；

图5为在A点和B点DF-IE-CJ协议下与CJ协议进行比较，其中A点表示中继节点在信源节点和目的节点正中间的情况，B点表示信源节点、中继节点和目的节点都等距的情况，图中的点(标记为MC)表示使用蒙特卡洛仿真得到的值，线表示使用理论计算得到的值；

图6为固定信源节点和目的节点，移动中继节点时，DF-IE-CJ和CJ的理论结果和仿真结果进行比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明:

本发明使用的容错解码转发(DF-IE)协议是DF协议的一个变种，它可以有效的提高信息传输的可靠性，区别于传统的DF协议，在DF-IE协议中继节点在检测到信息解码错误时并不丢弃数据包，而是将解码得到的数据包进行重编码并转发至目的节点。而本发明采用阻塞式容错解码转发(DF-IE-CJ)协议是在DF-IE的基础上，由目的节点在发射一阻塞信号，用于阻止中继节点获取到保密信息，在这个协议当中，中继节点被当做一个辅助节点来帮助目的节点解码消息，而不是传输节点传输消息。

如图1所示，本发明所提出的一种基于容错解码转发的不可信中继传输网络安全传输方法，包括如下步骤：

S1、通过不可信中继传输网络第一时隙获得信源节点S的初始信息U_s；同时，通过不可信中继传输网络第二时隙获得中继节点R的解码信息U_r；

S2、根据信源节点S的初始信息U_s和中继节点R的解码信息U_r对阻塞容错解码转发方式构建等效模型；

如图2所示，由于U_s和U_r可以不完全相同，定义p为R解码时的错误概率，因此U_r可以表示为

其中

为模二加法，E为一个二进制错误向量，根据香农有损源信道分离定理可以推导出

其中γ_r表示R处接收到的信噪比，γ_r＝γ_sr/(1+γ_sr)，H_b为二进制信息熵函数，

为H_b的反函数，Φ(γ)表示该信噪比下的传输速率，Φ^-1为Φ的反函数。

其中，采用阻塞容错解码转发方式，即图3所示：

2.1、在不可信中继传输网络的在第一时隙中，信源节点S先从独立同分布的二进制源生成一个初始信息U_s，再以广播方式向中继节点R和目的节点D发送信息，目的节点在接收消息的同时生成一个随机的阻塞信号U_d向中继节点R广播；

2.2、在不可信中继传输网络的在第二时隙中，中继节点R对在第一时隙中收到的消息进行解码得到的U_s估计值表示为U_r，

2.3、中继节点R解码消息后无论是否解码成功都需要将解码后的信息重新编码发送至目的节点D，目的节点D在完成信息接收后对这两个时隙接收的信号进行合并处理。

本发明中继节点R在接收的信源节点S传输的消息时会尝试窃取该消息，一旦消息能够成功解码，那么该消息就会被成功窃取，但是由于中继节点R无论是否成功解码都会将解码后的信息进行编码并发送至目的节点S以增加目的节点D成功解码的概率，因此可以制定一种保密传输的策略，即：让中继节点R一直处在无法成功解码的状态，这样又可以增加目的节点D传输成功的概率又可以做到信息的保密。

中继节点R对接收的消息进行容错解码转发，中继节点R和目的节点D在第一、二阶段通过信道i-j接收到的消息满足下式：

其中i,j∈{s,r,d}，x_i表示i节点发出的信号，y_ij表示通过i-j信道接收到的信息，E_i表示i 节点的发射功率，G_ij表示信道i-j的地理增益，h_ij表示信道i-j的衰落系数，n_j为j节点处受到的均值为0，方差为N₀的加性复高斯噪声。

SD信道的地理增益G_sd被均一化为1，SR和RD信道的地理增益可以使用G_ij＝(d_ij/d_sd)^l进行计算，其中l为路径衰落参数；因此瞬时信噪比可以表示为γ_ij＝E_iG_ij|h_ij|²/N₀，它服从参数为Γ_ij＝E_iG_ij/N₀的指数分布。

定义D解码R发送的信息得到的U_r与

之间的错误概率为q，

可以表示为

E′为另一个独立的二进制错误向量，q可以表示为

γ_rd表示R-D信道的瞬时信噪比。

S3、通过信源节点S到中继节点R链路关系对等效模型进行计算生成允许速率区域C；

如图4所示，提出R-D和S-D链路的关系

定义U_s的速率为R_sd，U_r的速率为R_sr，依据边信道理论可知D可以成功的解码U_s当且仅当R_sd和R_sd满足：

其中

表示给出

时U_s的条件熵，

表示U_r与

之间的互信息。

S4、计算允许速率区域的条件，判断等效模型中U_s的速率R_sd和U_r的速率为R_sr是否落入速率区域；

图4为系统容许通信的范围，当且仅当R_sd和R_rd满足：

即R_sd和R_rd落在c区域当中时，目的节点可以成功的获取到消息。

S5、计算等效模型的可靠安全概率，即求得可靠安全概率表达式

定义了可靠安全概率(RSP)，可靠安全概率表示不可信中继系统中即可以成功传输信息又可以保证信息不被不可信中继节点所窃取的概率，根据以上论述，可靠安全概率可以表示为

P＝Pr{Φ(0)≤γ_sr<Φ(1)}-Pr{0<p≤0.5,R_rd≥1,0≤R_sd<H_b(p)}-Pr{0<p≤ 0.5,0≤Rrd<1,0≤Rsd<Hb(1-q)p+q(1-p)，其中Rrd表示R-D信道的速率。

图5显示了DF-IE-CJ和CJ系统的可靠-安全概率曲线对比，在计算和仿真中，信源节点和中继节点具有相同的发射功率，图中体现了A点和B点的结果，A点表示中继节点在信源节点和目的节点的正中间的场景，B点表示信源节点、中继节点和目的节点相互等距的场景。数值结果用不同类型的线进行标记，从蒙特卡罗仿真中得到的结果用不同类型的点进行标记。从图中可以看出，理论结果与仿真结果一致。在大功率区域，DF-IE-CJ和CJ的可靠-安全概率曲线非常接近，而在低功率区域，DF-IE-CJ的性能优于CJ，在功率处于中间时系统的安全性和可靠性时平衡的，从而产生了高的可靠-安全概率。而当发射功率超过一个阈值之后 DF-IE-CJ和CJ的可靠-安全概率曲线处于一个稳定的状态，这个是因为功率较高时，从D发射的干扰信号有效的防止了R获取到原始信息。

图6表现了中继节点的位置对可靠-安全概率曲线的影响，总功率设置为P＝0dB。信源节点和目的节点分别位于二维坐标系中的点(0,0)和(1,0)，中继节点沿(0,0.5)到(1,0.5) 的线移动。如图6所示，当中继节点离开信源节点时，由于中继节点处接收到的信号功率降低，DF-IE-CJ和CJ的可靠-安全概率增加，但是DF-IE-CJ的结果一直优于CJ的结果。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过不可信中继传输网络第一时隙获得信源节点S的初始信息U_s；同时，通过不可信中继传输网络第二时隙获得中继节点R的解码信息U_r；

S2、根据信源节点S的初始信息U_s和中继节点R的解码信息U_r对阻塞容错解码转发方式构建等效模型；

S3、通过信源节点S和中继节点R到目的节点的链路关系对等效模型进行计算生成允许速率区域C；

S4、计算允许速率区域的条件，判断等效模型中U_s的速率R_sd和U_r的速率为R_sr是否落入速率区域；

S5、计算等效模型的可靠安全概率。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻塞式容错解码转发的不可信中继网络安全传输方法，其特征在于，所述步骤S2采用阻塞容错解码转发方式：

2.1、在不可信中继传输网络的在第一时隙中，信源节点S先从独立同分布的二进制源生成一个初始信息U_s，再以广播方式向中继节点R和目的节点D发送信息，目的节点D在接收消息的同时生成一个随机的阻塞信号U_d向中继节点R广播；

2.2、在不可信中继传输网络的在第二时隙中，中继节点R对在第一时隙中收到的消息进行解码得到的U_s估计值表示为U_r，

2.3、中继节点R解码消息后无论是否解码成功都需要将解码后的信息重新编码发送至目的节点D，目的节点D在完成信息接收后对这两个时隙接收的信号进行合并处理。

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