CN112911589A - 联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统，涉及物理层安全传输技术领域。该方法包括如下步骤：中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发所述目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点。从而实现了系统安全容量最大化，降低了系统的安全中断概率，提高了系统的安全性能。

Description

联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统
技术领域
本发明涉及物理层安全传输技术领域，具体涉及一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统。
背景技术
无线媒介天然的开放性、无线网络结构的复杂性和无线通信的快速发展，使大规模无线网络面临的安全压力日益增大。由于无线网络的广播特性，信息可能会被恶意窃听节点窃取，新兴的研究方向是通过提高物理层的安全来改善无线网络的安全环境。与传统常规密码学使用的网络安全技术不同，基于协作干扰的物理层安全技术是信息安全领域新的方法和解决途径，作为传统上层加密方法的有效补充，它通过使用无线信道的固有噪声性质以及随机性来保证无线网络的安全，已成为无线通信领域的研究热点之一。协作通信能够在克服传统加密方法缺陷的同时，实现在发送端和接收端之间建立优质的无线链路，大大提高了无线通信系统的频谱资源利用率和系统的功率效率，为物理层安全机制的实施提供了足够的空间。
在基本的窃听信道模型中，为了实现保密通信通常需要保证窃听信道容量小于主信道，然而这个要求在大多数情况下不能被满足，因此需要一定的技术手段引入差异化，削弱窃听信道的链路质量，从而有效抑制窃听行为。于是在协作通信技术基础上，协作干扰技术被提出。在传统的无线通信系统中，干扰信号通常被认为是对通信的有效性和安全性造成负面影响的不利因素，应该尽可能地减小或消除。而协作干扰技术的基本思想却恰好相反，通过引入人为的干扰信号，将干扰转化为提高系统安全性能的有利因素。这种新颖的策略丰富了物理层安全的发展，是无线通信安全领域的重大突破。
在现有的研究中，协作干扰技术虽然已经被提出，但适用场景较为简单，源节点和中继节点普遍为单天线，且进行中继选择时未综合考虑中继传输和中继干扰联合选择对系统保密容量的影响。这就导致基于现有技术选择出的中继或者协作干扰节点无法显著的提高系统的保密性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，所采用的技术方案具体如下：
第一方面，本发明一个实施例提供了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，包括以下步骤：
中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发所述目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点；
所述协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，所述源节点配有至少两根天线，每个所述中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线；所述协作干扰通信模型选取所述最优中继、第一最优天线和第二最优天线的步骤如下：
根据节点之间的信道状态信息获取所述中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合；
获取所述中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点；
根据所述最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
优选的，在所述协作干扰通信模型中，节点之间的信道都是准静态的瑞利衰落信道。
优选的，所述信道状态信息包括由所述源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
优选的，所述的源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息时，同时广播所述协作干扰通信模型选取的最优中继及其第二最优天线的索引。
优选的，所述的人工噪声设计在中继到所述目的节点的零空间上。
第二方面，本发明另一个实施例提供了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，包括：
安全传输模块，用于中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发所述目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点；
协作干扰通信模型建立模块，用于建立协作干扰通信模型，所述建立协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，所述源节点配有至少两根天线，每个所述中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线；
最优路线选取模块，用于根据所述协作干扰通信模型选取所述最优中继、第一最优天线和第二最优天线，所述最优路线选取模块包括：
中继集合获取单元，用于根据节点之间的信道状态信息获取所述中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合；
最优中继获取单元，用于获取所述中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点；
最优天线获取单元，用于根据所述最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
优选的，所述的协作干扰通信模型中，节点之间的信道都是准静态的瑞利衰落信道。
优选的，所述的信道状态信息包括由所述源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
优选的，所述的源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息时，同时广播所述协作干扰通信模型选取的最优中继及其第二最优天线的索引。
优选的，人工噪声设计在中继到所述目的节点的零空间上。
本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明基于协作干扰网络提出了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，与多个中继均协助源节点进行信息转发不同，本发明不需要为所有中继分配相互正交的信道以避免中继间的相互干扰，极大地减少了系统开销，降低了系统复杂度；与传统源节点和中继均是单天线的系统模型不同，源节点和中继均由单天线变为多天线，使中继处的信道容量增大，有更多的中继可以进入第二阶段；并且联合考虑了发送信息的合法链路及窃听链路的信道状态，对中继及发送天线进行选择，实现了系统安全容量最大化，降低了系统的安全中断概率，提高了系统的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法流程图；
图2为本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法中的协作干扰通信模型选取最优中继、第一最优天线以及第二最优天线的方法流程图；
图3为本发明一个实施例所提供的联合协作干扰传输方法与随机中继选择方法的中断概率随信噪比变化的应用场景示意图；
图4为本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法的效果示意图；
图5为本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统结构框图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法及系统的具体方案。
请参阅图1～4，图1示出了本发明一个实施例提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法流程图，图2示出了本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法中的协作干扰通信模型选取最优中继、第一最优天线以及第二最优天线的方法流程图；图3示出了本发明一个实施例所提供的联合协作干扰传输方法与随机中继选择方法的中断概率随信噪比变化的应用场景示意图；图4示出了本发明一个实施例所提供的一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法的效果示意图。
一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：
中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用协作干扰通信模型选取的最有中继节点的第二最优天线将第二编码信息转发至目的节点，第二编码信息用于触发目的节点对第二编码信息进行解码，获得目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点。
其中，协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，源节点配有至少两根天线，每个中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线；如图2所示，协作干扰通信模型选取最优中继、第一最优天线和第二最优天线的步骤如下：
根据节点之间的信道状态信息获取中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合；
获取中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点；
根据最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
综上所述，本发明实施例提供了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，该方法基于协作干扰网络提出了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，与多个中继均协助源节点进行信息转发不同，本发明不需要为所有中继分配相互正交的信道以避免中继间的相互干扰，极大地减少了系统开销，降低了系统复杂度；与传统源节点和中继均是单天线的系统模型不同，源节点和中继均由单天线变为多天线，使中继处的信道容量增大，有更多的中继可以进入第二阶段；并且联合考虑了发送信息的合法链路及窃听链路的信道状态，对中继及发送天线进行选择，实现了系统安全容量最大化，降低了系统的安全中断概率，提高了系统的安全性能。
具体的，本实施例通过仿真实验对本发明及其有益效果进行说明，在本实施例中，具体仿真参数设置如下：
目标传输速率Rt＝3bps/Hz，源节点天线数M＝3，中继节点个数N＝4，中继处天线数K＝3，加性高斯白噪声的方差σ2＝1，γ为系统的平均信噪比：
Figure BDA0002894396950000051
P为发射功率。
具体的，在本实施例中，所有信道采用准静态的瑞利衰落信道(Rayleigh fadingch annel)，即在每个传输模块之间信道状态信息(channel state information，CSI)不变，不同传输模块间信道CSI是独立变化的。需要说明的是，在本实施例中，信道状态信息包括由源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
在本实施例的应用场景中，如图3所示，由于严重的衰落和路径损耗，源节点S与目的节点D之间的直接链路不可用，因此只能通过中继节点R来建立通信。此外，窃听节点E可能只是偶然听到通过中继传输的源节点机密信息。
具体的，在本实施例中，协作干扰通信模型选取最优中继、第一最优天线和第二最优天线的的步骤如下：
(1)通过计算中继节点处的信道容量，进行预选择，筛选出能够成功解码的中继集合Da。具体的，假定源节点第m根天线发送信息给第n个中继节点，该中继节点处的信道容量大于目标传输速率，代表中继可以成功解码源节点信号xs，即目的信息，将该中继节点筛选到中继集合Da中。其中，在本实施例中，E[|xs|2]＝1。
此时，第i个中继节点Ri处的接收信号为：
Figure BDA0002894396950000061
其中，
Figure BDA0002894396950000062
表示源节点S第m根天线到第i个中继节点Ri的信道矢量；ni表示第i个中继节点Ri处方差为σ2的加性高斯白噪声(AWGN)。
具体的，
Figure BDA0002894396950000063
也即是信道状态矩阵，反应对应信道的信道状态信息。
此时，第i个中继节点Ri处的信噪比为：
Figure BDA0002894396950000064
其中，
Figure BDA0002894396950000065
表示源节点S的第m根天线到第i个中继节点Ri处的信道衰落系数。
具体的，在本实施例中，第i个中继节点处的信道容量
Figure BDA0002894396950000066
为：
Figure BDA0002894396950000067
需要说明的是，当第i个中继处的信道容量小于目标传输速率Rt时，即
Figure BDA0002894396950000068
时，i＝1,2,…,N，则代表该中继无法正确解码源节点信号，放入集合
Figure BDA0002894396950000069
中；否则，将能够成功解码源节点信号的中继放入中继集合Da中，具体的：
Csi>Rt,i∈Da
Figure BDA00028943969500000610
(2)以最大化系统安全容量为准则，选取源节点的第一最优天线m*，最优中继i*及其第二最优天线k*。具体的：
在数据传输之前，源节点S先进行计算：
Figure BDA00028943969500000611
Figure BDA0002894396950000071
其中，
Figure BDA0002894396950000072
是第i个中继的第k根天线到目的节点D的信道衰落系数；Xn为第一最大信噪比，Yn为第二最大信噪比。
然后根据最大化系统安全容量的方式，筛选出用于转发信息的最优中继i*：
Figure BDA0002894396950000073
其中，γe为窃听节点E处的信噪比，N为中继节点的个数。
在选择出最优中继i*后，可以确定源节点S处的第一最优天线m*和最优中继i*处的第二最优天线k*：
Figure BDA0002894396950000074
Figure BDA0002894396950000075
其中，
Figure BDA0002894396950000076
表示源节点S的第m根天线到最优中继i*处的信道衰落系数，
Figure BDA0002894396950000077
是最优中继i*的第k根天线到目的节点D的信道衰落系数。
具体的，在本实施例中，如图3所示，完成对第一最优天线、最优中继以及第一最优天线的选取后，开始利用中继节点完成目的信息从源节点到目的节点的传输。具体的：
(1)源节点S对目的信息进行编码和调制处理后获得第一编码信息，然后使用第一最优天线m*广播给所有中继节点，同时广播选定的最优中继索引i*及该中继处的第二最优天线索引k*。具体的：
源节点广播选定的最优中继索引i*及该中继处的第二最优天线索引k*，并使用源节点处第一最优天线m*发送信息，则此时最优中继i*处的接收信号为：
Figure BDA0002894396950000078
其中，
Figure BDA0002894396950000079
表示源节点的第一最优天线m*到最优中继i*处的信道矢量。
(2)被选定的最优中继节点i*将源节点发送的第一编码信息进行解码后重新编码，获得第二编码信息，然后使用第二最优天线k*将其转发至目的节点D，其余中继均发送人工噪声干扰窃听节点。由于人工噪声设计在中继到目的节点的零空间上，故人工噪声不会对目的节点产生影响。
此时，目的节点处接收到的信号为:
Figure BDA0002894396950000081
其中，
Figure BDA0002894396950000082
是最优中继i*的第二最优天线k*到目的节点D的信道衰落系数，xs是中继转发的目的信息，nd是目的节点D处方差为σ2的加性高斯白噪声。
目的节点D处的信噪比为：
Figure BDA0002894396950000083
目的节点D处的信道容量为：
Figure BDA0002894396950000084
具体的，此时窃听节点E处接收到的信号为：
Figure BDA0002894396950000085
其中，
Figure BDA0002894396950000086
是最优中继i*的第二最优天线k*到窃听节点E处的信道衰落系数，N-1为除了最优中继外剩余的中继个数，hje是剩余中继到窃听节点E处的信道衰落系数，xj是剩余中继发送的人工噪声，ne是目的节点D处方差为σ2的加性高斯白噪声。
窃听节点E处的信噪比为：
Figure BDA0002894396950000087
窃听节点处信道容量Ce为：
Figure BDA0002894396950000088
所以该系统的安全信道容量Cs为：
Figure BDA0002894396950000089
(3)目的节点对最优中继节点处第二最优天线k*发来的信号进行解码，获得目的信息，完成整个信息的传输过程。
进一步的，在本实施例中，通过安全中断概率(OP)分析了本实施例中方法的安全性能。如图4所示，图中圆形标示的线表示随机中继选择方法的中断概率随信噪比变化的情况，米字型标示的线表示本发明联合协作干扰传输方法的中断概率随发射功率变化的情况。
由此可看出，随着系统信噪比的不断增大，系统的安全中断概率不断下降，安全性能不断提升。相比于随机中继选择方法，本发明实施例中的联合协作干扰传输方法对应的系统安全性能更好。这是因为本发明的联合协作干扰传输方法综合考虑了合法链路和窃听链路对系统安全性能的影响，在保证合法链路信道状态尽量好的情况下，使得窃听链路的信道状态尽可能差，实现了系统安全容量最大化，降低了系统的安全中断概率，以此来提高系统的安全性能。
需要说明的是，安全中断概率的定义：系统的目标传输速率为Rt，源节点以恒定的速率发送信息给合法用户，由于通道的随机性，无法保证完全正确的传输；当合法信道的信道容量Cd低于Rt时，发生安全中断，这一概念定义为安全中断概率，即
Figure BDA0002894396950000091
Figure BDA0002894396950000092
其中Pr(D＝Φ)表示当前没有中继能够成功解码源节点信息。
基于与上述方法实施例相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统。
请参阅图5，该联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统100包括安全传输模块101、协作干扰通信模型建立模块102和最优路线选取模块103。具体的：
安全传输模块用于中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点。
协作干扰通信模型建立模块用于建立协作干扰通信模型，所述建立协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，所述源节点配有至少两根天线，每个所述中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线。
最优路线选取模块用于根据所述协作干扰通信模型选取所述最优中继、第一最优天线和第二最优天线。
进一步的，所述最优路线选取模块包括中继集合获取单元、最优中继获取单元和最优天线获取单元。具体的：
中继集合获取单元用于根据节点之间的信道状态信息获取所述中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合。最优中继获取单元用于获取所述中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点。最优天线获取单元用于根据所述最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
优选的，在协作干扰通信模型中，节点之间的信道都是准静态的瑞利衰落信道。
优选的，信道状态信息包括由所述源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
优选的，源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息时，同时广播所述协作干扰通信模型选取的最优中继及其第二最优天线的索引。
优选的，上述人工噪声设计在中继到目的节点的零空间上。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发所述目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点；
所述协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，所述源节点配有至少两根天线，每个所述中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线；所述协作干扰通信模型选取所述最优中继、第一最优天线和第二最优天线的步骤如下：
根据节点之间的信道状态信息获取所述中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合；
获取所述中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点；
根据所述最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
2.根据权利要求1所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的协作干扰通信模型中，节点之间的信道都是准静态的瑞利衰落信道。
3.根据权利要求1所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的信道状态信息包括由所述源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
4.据权利要求1所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息时，同时广播所述协作干扰通信模型选取的最优中继及其第二最优天线的索引。
5.据权利要求1～4所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输方法，其特征在于，所述的人工噪声设计在中继到所述目的节点的零空间上。
6.一种联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，其特征在于，所述系统包括：
安全传输模块，用于中继节点利用协作干扰通信模型选取的最优中继节点对源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息解码后重新编码，获得第二编码信息；并使用所述协作干扰通信模型选取的所述最有中继节点的第二最优天线将所述第二编码信息转发至目的节点，所述第二编码信息用于触发所述目的节点对所述第二编码信息进行解码，获得所述目的信息；其余中继节点发送人工噪声用于干扰窃听节点；
协作干扰通信模型建立模块，用于建立协作干扰通信模型，所述建立协作干扰通信模型包括源节点，N个中继节点，一个目的节点和一个窃听节点。其中，所述源节点配有至少两根天线，每个所述中继节点处配有至少两根天线，其余节点都配单根天线；
最优路线选取模块，用于根据所述协作干扰通信模型选取所述最优中继、第一最优天线和第二最优天线，所述最优路线选取模块包括：
中继集合获取单元，用于根据节点之间的信道状态信息获取所述中继节点处的信道容量，结合目标传输速率筛选出能够成功解码的中继集合；
最优中继获取单元，用于获取所述中继集合内的中继节点与源节点之间的第一最大信噪比以及与目的节点之间的第二最大信噪比，并结合与窃听节点之间的信噪比选取最优中继节点；
最优天线获取单元，用于根据所述最优中继节点与源节点以及目的节点之间的信道衰落系数，确定源节点的第一最优天线和中继节点的第二最优天线。
7.根据权利要求6所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，其特征在于，所述的协作干扰通信模型中，节点之间的信道都是准静态的瑞利衰落信道。
8.根据权利要求6所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，其特征在于，所述的信道状态信息包括由所述源节点与中继节点之间构成的信道状态矩阵。
9.据权利要求6所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，其特征在于，所述的源节点通过第一最优天线发送的包含目的信息的第一编码信息时，同时广播所述协作干扰通信模型选取的最优中继及其第二最优天线的索引。
10.据权利要求6～9所述的联合中继传输和中继干扰的物理层安全传输系统，其特征在于，所述的人工噪声设计在中继到所述目的节点的零空间上。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120188932A1 (en) * 2009-09-28 2012-07-26 Zhengwei Gong Pre-coding method in cooperative relay system, communication apparatus, and relay apparatus
KR101439756B1 (ko) * 2013-03-22 2014-09-17 한국과학기술원 다운링크 셀룰러 통신망에서의 전파 방해 장치를 활용한 협력 보안 전송 기법 및 시스템
CN104469755A (zh) * 2014-12-08 2015-03-25 西安理工大学 对中继与干扰节点选择结果保密的物理层安全传输方法
US20160149951A1 (en) * 2014-11-21 2016-05-26 Electronics And Telecommunications Research Institute Secure transmission method and system
CN106603141A (zh) * 2016-12-21 2017-04-26 北京邮电大学 一种面向全双工双向中继系统的中继与天线联合选择方法
CN107197497A (zh) * 2017-06-01 2017-09-22 湖北工程学院 最优中继选择方法和装置
CN109640321A (zh) * 2018-12-19 2019-04-16 西安电子科技大学 基于最优中继选择的协作干扰物理层安全传输方法
US20190229833A1 (en) * 2018-01-24 2019-07-25 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme
CN110087278A (zh) * 2019-03-11 2019-08-02 西安电子科技大学 一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法
CN110730452A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 中国人民解放军陆军工程大学 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

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120188932A1 (en) * 2009-09-28 2012-07-26 Zhengwei Gong Pre-coding method in cooperative relay system, communication apparatus, and relay apparatus
KR101439756B1 (ko) * 2013-03-22 2014-09-17 한국과학기술원 다운링크 셀룰러 통신망에서의 전파 방해 장치를 활용한 협력 보안 전송 기법 및 시스템
US20160149951A1 (en) * 2014-11-21 2016-05-26 Electronics And Telecommunications Research Institute Secure transmission method and system
CN104469755A (zh) * 2014-12-08 2015-03-25 西安理工大学 对中继与干扰节点选择结果保密的物理层安全传输方法
CN106603141A (zh) * 2016-12-21 2017-04-26 北京邮电大学 一种面向全双工双向中继系统的中继与天线联合选择方法
CN107197497A (zh) * 2017-06-01 2017-09-22 湖北工程学院 最优中继选择方法和装置
US20190229833A1 (en) * 2018-01-24 2019-07-25 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Apparatus and method for secure communication using artificial noise scheme
CN109640321A (zh) * 2018-12-19 2019-04-16 西安电子科技大学 基于最优中继选择的协作干扰物理层安全传输方法
CN110087278A (zh) * 2019-03-11 2019-08-02 西安电子科技大学 一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法
CN110730452A (zh) * 2019-10-25 2020-01-24 中国人民解放军陆军工程大学 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

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUANGNA ZHANG: "Joint Single Relay and Jammer Selection for Physical Layer Security Enhancement in Internet of Things", 《2018 10TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS, CIRCUITS AND SYSTEMS (ICCCAS)》 *
YING JU: "Physical Layer Security in Millimeter Wave DF Relay Systems", 《IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS》 *
邓单等: "联合天线选择和人工噪声的安全传输技术", 《系统仿真学报》 *

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