CN114024591B - 一种中继协作非正交多址接入系统及信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于协作中继系统及基于该类系统的信息传输方法，为解决目前中继协作非正交多址接入系统的物理层安全解决方案，仅考虑了中继放大转发和解码转发的物理层安全性能，没有考虑如何降低窃听者解码能力，导致系统安全性能较差的技术问题，提供一种中继协作非正交多址接入系统及信息传输方法，其中，本发明提出了一种增加友好干扰器节点的系统及信息传输方法，考虑使用能量收集技术，以及在系统中通过使用人工噪声技术干扰窃听者，使系统能量消耗降低、安全吞吐量性能增强。

Description

一种中继协作非正交多址接入系统及信息传输方法

技术领域

本发明属于协作中继系统及基于该类系统的信息传输方法，具体涉及一种中继协作非正交多址接入系统及信息传输方法。

背景技术

非正交多址接入技术因其高带宽效率、高公平性和大容量显示出了巨大的优越性，成为5G通信中非常有前景的多址接入方式。与传统的正交多址接入系统不同，非正交多址接入系统在发送端采用功率复用技术，将多个用户信号在相同的时域、频域和码域进行叠加发送，在接收端利用串行干扰消除接收机实现正确解调。为了进一步提高非正交多址接入系统的性能，提出了协作非正交多址接入来降低中断概率，提高分集顺序。现有的研究工作主要涉及两种形式的协作非正交多址接入，第一种是使用一个专用的中继节点为距离源较远的用户转发信号；第二种是将较强的用户作为较弱的用户的中继节点。

由于无线信道的广播特性，无线网络的安全性能也面临着巨大的挑战。提高物理层安全是一种重要的方法，利用无线信道的固有特性(如衰落、噪声和干扰)，确保窃听者不能利用物理层上的合法信息。在物理层安全解决方案中，协作干扰是利用其他节点发出人工噪声干扰窃听，因此，被认为是对抗窃听的有效技术。

Jianchao Chen等人在“Physical Layer Security for Cooperative NOMASystems”(IEEE Trans.Veh.Technol.2018,67,4645–4649.)文章中公开了一种中继协作非正交多址接入的物理层安全研究，仅考虑了中继放大转发和解码转发的物理层安全性能，没有考虑如何降低窃听者的解码能力，导致系统安全性能较差。

发明内容

本发明为解决目前中继协作非正交多址接入系统的物理层安全解决方案，仅考虑了中继放大转发和解码转发的物理层安全性能，没有考虑如何降低窃听者解码能力，导致系统安全性能较差的技术问题，提供一种中继协作非正交多址接入系统及信息传输方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种中继协作非正交多址接入系统，包括一个信源节点、一个中继节点、一个近目的节点、一个远目的节点和一个窃听节点，其特殊之处在于，还包括一个友好干扰器节点；

所述友好干扰器节点分别与所述信源节点和所述窃听节点之间通过传输链路通讯；

所述信源节点、友好干扰器节点、中继节点、近目的节点、远目的节点和窃听节点各配置单根天线；

所述信源节点和远目的节点之间，以及信源节点与窃听节点之间均通过中继协助传输信号。

本发明还提供了一种如上所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，用于降低窃听节点接收信号进行信息解码的能力，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，在每一个传输周期开始前，通过导频传输的两步信道估计方案，估计每一个信道的信道状态预测信息；

S2，根据相应信道状态预测信息，所述信源节点分别向所述中继节点、所述近目的节点和所述友好干扰器节点发送混叠信号；

S3，所述近目的节点对接收的混叠信号进行信息解码，中继节点和友好干扰器节点分别从环境射频信号中获取能量，进行能量收集；同时，中继节点对接收到的混叠信号进行信息解码，并将解码结果发送至近目的节点和远目的节点；

S4，所述信源节点向所述近目的节点发送信息信号，近目的节点对接收到的信息信号和经步骤S3接收到的解码结果进行信息解码；同时，远目的节点也对中继节点发送的信号进行信息解码；

S5，所述友好干扰器节点根据经步骤S3从环境射频信号中获取的能量，产生并发送仅混淆窃听节点的干扰信号。

进一步地，还包括步骤S6，通过下式计算近目的节点的安全传输概率验证近目的节点的安全传输概率是否符合预设近目的节点安全传输概率：

其中，Pr表示为概率，x₁为信源节点预计向近目的节点发送的信息符号，是中继节点对接收到的混叠信号进行信息解码时，中继节点解码信号x₁的信噪比，/>是步骤S4中近目的节点解码信号x₁'的信噪比，/>是步骤S3中近目的节点解码信号x₁的信噪比，/>是窃听节点窃听解码信号x₁的信噪比，/>表示对近目的节点的传输门限速率，/>表示对近目的节点信息的窃听速率。

进一步地，所述传输门限速率的取值为，/>

进一步地，还包括步骤S7，通过下式计算远目的节点的安全传输概率验证远目的节点的安全传输概率是否符合预设远目的节点安全传输概率：

其中，x₂为信源节点预计向远目的节点发送的信息符号，是第一阶段中继节点解码信号x₂的信噪比，/>是步骤S4中远目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是步骤S3中近目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是窃听节点窃听解码信号x₂的信噪比，/>表示对远目的节点传输门限速率，/>表示对远目的节点的窃听速率。

进一步地，所述传输门限速率的取值为，/>

进一步地，还包括步骤S8，通过下式计算近目的节点和远目的节点的安全吞吐量，验证近目的节点和远目的节点的安全吞吐量是否符合预设安全吞吐量：

近目的节点的安全吞吐量为：

远目的节点的安全吞吐量为：

进一步地，步骤S2中，所述信源节点分别向所述中继节点、所述近目的节点和所述友好干扰器节点发送混叠信号，其发送功率P_S为0-10dBm。

进一步地，步骤S5具体为：

所述友好干扰器节点根据经步骤S3从环境射频信号中获取的能量E_J，计算仅混淆窃听节点的干扰信号的发射功率P_J：

其中，T为一个传输周期的传输时间。

进一步地，步骤S1中，所述通过导频传输的两步信道估计方案，估计每一个信道的信道状态预测信息具体为：

S1.1，通过中继节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和中继节点之间的信道增益，远目的节点通过接收到的导频估计中继节点和远目的节点之间的信道增益；

S1.2，通过近目的节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和近目的节点之间的信道增益；

S1.3，中继节点转发经步骤S1.2从近目的节点接收的导频，信源节点通过步骤1.1得到的信源节点和中继节点之间的信道增益，估计中继节点和近目的节点之间的信道增益；

S1.4，友好干扰器节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和友好干扰器节点之间的信道增益；

S1.5，信源节点和远目的节点同时发送一个导频，中继节点和近目的节点接收导频后转发，信源节点和远目的节点分别对接收到中继节点转发的导频，先减去自己发送的导频，再解码彼此的导频，信源节点据此估计中继节点和远目的节点之间的信道增益，远目的节点据此估计信源节点和中继节点之间的信道增益，以及信源节点和近目的节点之间的信道增益。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中继协作非正交多址接入系统建立了新的传输信号模型，提出了一种增加友好干扰器节点的系统，充分利用了有限的频谱资源，提高了系统的安全吞吐量。系统结构简单、安全吞吐量大，便于现实应用，利于推广，可用于携能通信技术领域。

2.本发明中继协作非正交多址接入系统信息传输方法，考虑使用能量收集技术，延长能量受限节点的使用寿命，实现了绿色通信，另外，还考虑了在系统中通过使用人工噪声技术干扰窃听者，从而降低窃听者的解码能力，以此有效提升系统的安全性能，使系统性能增强。

3.本发明的信息传输方法与现有的提升物理层安全方法相比，经验证，在每一个传输周期的系统传输速率R_t为0bps/Hz-4bps/Hz时，系统安全吞吐量提升了0.581-1.062，系统的安全性能得到了大幅提升。

附图说明

图1为本发明中继协作非正交多址接入系统信息传输方法实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例1至实施例3与传统方法安全吞吐量仿真曲线比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

本发明提供了一种方法简单、能充分利用频谱资源、有效提升系统安全性能的中继协作非正交多址接入系统及其信息传输方法，该信息传输方法能够有效提升其物理层的安全性。

实施例1

本发明信息传输方法一个实施例的具体过程如下：

构建传输信号模型：

使用中继协作非正交多址接入系统传输信息，该系统包括一个信源节点、一个中继节点R，一个友好干扰器节点J，两个目的节点(一个近目的节点D₁和一个远目的节点D₂)和一个窃听节点，信源节点、友好干扰器节点J、中继节点R、两个目的节点以及窃听节点各配置单根天线，信源节点与远目的节点D₂间，信源节点与窃听节点间不存在直传链路，需要中继协助传输信号。

通过该系统传输信息时，将每一传输周期分为两个阶段：

第一阶段：信源节点发送混叠信号给中继节点R、近目的节点D₁和友好干扰器节点J，近目的节点D₁对接收的混叠信号进行信息解码，中继节点R和友好干扰器节点J分别从环境射频信号中获取能量，进行能量收集，中继节点R在能量收集的同时进行信息解码，并将解码结果发送至近目的节点和远目的节点；

第二阶段：信源节点发送信息信号给近目的节点D₁，近目的节点D₁对接收到的信息信号和经步骤S3接收到的解码结果进行信息解码，同时，远目的节点也对中继节点发送的信号进行信息解码；此时，窃听节点也能接收到中继节点转发的信号，且窃听能力较强可以对接收到的信号进行信息解码，友好干扰器节点利用从第一阶段接收到的能量产生并发送可以只混淆窃听节点的干扰信号，达到混淆窃听者的目的，进而提高系统的安全性。

中继节点R在第一阶段接收的混叠信号y_R和近目的节点D₁在第一阶段接收的混叠信号分别为：

其中，α₁和α₂分别是近目的节点D₁和远目的节点D₂的功率分配系数，α₂>α₁且满足α₂+α₁＝1，β是每一传输周期的功率分配系数，0<β<1，本实施例中β取值为0.2，P_S是每一个传输周期信源节点的发射功率，取值是0<P_S<20dBm，本实施例中P_S取值为15dBm，x₁是信源节点预计向近目的节点发送的信息符号，x₂是信源节点预计向远目的节点发送的信息符号，h_SR是信源节点到中继节点的信道系数，服从CN(0,1)，是信源节点到近目的节点的信道系数，服从CN(0,1)，n_R是中继节点的加性高斯白噪声，/>是近目的节点的加性高斯白噪声。

近目的节点D₁在第二阶段收到的信号以及远目的节点在第二阶段收到的信号/>窃听节点接收到的信号y_E分别为：

其中，x₁'是信源节点第二阶段发送的信息符号，v是友好干扰器发送的干扰信号，P_EH是第二阶段中继节点R的发射功率，且P_EH<P_S，P_J是第二阶段友好干扰器节点J产生并发送仅混淆窃听节点的干扰信号的发射功率，且P_J<P_S，是中继节点到近目的节点的信道系数服从CN(0,1)，/>是中继节点到远目的节点的信道系数服从CN(0,1)，h_RE是中继节点到窃听节点的信道系数，服从CN(0,1)，h_JE是友好干扰器节点到窃听节点的信道系数，服从CN(0,1)，/>是目的节点的加性高斯白噪声，n_E是窃听节点的加性高斯白噪声，构建成传输信号模型。

估计信道状态预测信息：

用导频传输的两步信道估计方案，在每一传输周期开始前，估计每一信道的信道状态预测信息。第一步：中继节点首先发送一个导频，信源节点和远目的节点分别通过接收到的导频估计信源节点和中继节点之间的信道增益，以及中继节点和远目的节点之间的信道增益；近目的节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和近目的节点之间的信道增益；之后中继节点转发从近目的节点接收到的导频，信源节点通过已估计出的信源节点和中继节点之间的信道增益的信息来估计中继节点和近目的节点之间的信道增益；友好干扰器节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和友好干扰器节点之间的信道增益。

第二步：信源节点和远目的节点同时发送一个导频，之后中继和近目的节点转发接收到的导频，信源节点接收到中继发出的导频后，先减去自己的导频，再解码远目的节点的导频，由此信源节点就可以估计出中继节点和远目的节点之间的信道增益；相同的，远目的节点也通过上述方法估计出信源节点和中继节点之间的信道增益及信源节点和近目的节点之间的信道增益。

友好干扰器节点能量收集：

友好干扰器通过能量收集在第一阶段从环境射频信号中获取能量，为第二阶段发送干扰信号储能，友好干扰器收集到的能量：

P_J＝ηh_SJ|²P_S (8)

其中，η是能量收集效率，且(0<η<1)，本实施例中η取值为0.85。

本发明中，还可通过近目的节点的安全传输概率、远目的节点的安全传输概率，以及两个目的节点的安全吞吐量来验证物理层的安全性。

(1)确定近目的节点的安全传输概率

用式(9)确定近目的节点的安全传输概率

其中，是第一阶段中继节点解码信号x₁的信噪比，/>是第二阶段近目的节点解码信号x₁'的信噪比，/>是第一阶段近目的节点解码信号x₁的信噪比，/>是第二阶段窃听节点解码信号x₁的信噪比，/>是传输门限速率，/>bps/Hz，本实施例的/>取值为1bps/Hz，/>是窃听速率，/>的值为0.14bps/Hz。

(2)确定远目的节点的安全传输概率

用式(10)确定远目的节点的安全传输概率

其中，是第一阶段中继节点解码信号x₂的信噪比，/>是第二阶段远目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是第一阶段近目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是第二阶段窃听节点解码信号x₂的信噪比，/>是传输门限速率，/>bps/Hz，本实施例的/>取值为0.8bps/Hz，/>是窃听速率，/>的值为0.087bps/Hz。

(3)确定两个目的节点的安全吞吐量

近目的节点的安全吞吐量为：

远目的节点的安全吞吐量为：

实施例2

相较本发明的实施例一，本发明实施例二的区别在于，每一传输周期的功率分配系数β取值为0.1，每一个传输周期信源节点的发射功率P_S取值为10dBm，η取值为0.8，取值为1.5bps/Hz，/>的取值为0.14bps/Hz，/>取值为0.4bps/Hz，/>的取值为0.087bps/Hz。

实施例3

相较本发明的实施例一，本发明实施例三的区别在于，每一传输周期的功率分配系数β取值为0.15，每一个传输周期信源节点的发射功率P_S取值为5dBm，η取值为0.75，取值为2bps/Hz，/>的取值为0.14bps/Hz，/>取值为1.2bps/Hz，/>的取值为0.087bps/Hz。

为了验证本发明实施例一的有益结果，采用本发明实施例的信息传输方法与传统的协作非正交多址接入系统进行了对比仿真实验，实验结果见图2，图2是每一个传输周期信源节点的发射功率P_S取值分别是5dBm，10dBm，15dBm时，系统的安全吞吐量随系统传输速率变化的结果图。在图2中，可以看出本发明提出的方法安全吞吐量比传统的方案高，因此可见，考虑到窃听者检测能力强的最坏情况下，友好干扰器产生的人工噪声对于提高协作非正交多址接入系统的安全性能是非常有优势的。

在三个实施例的对比中可以看出，实施例1的安全吞吐量最高，实施例2次之，实施例3最低，这是由于随着发射功率以及能量收集效率的增加，系统的安全传输概率也随之增加，友好干扰器节点发送干扰信号的能力增强，因此，导致窃听节点的解码能力降低，最终使系统的安全吞吐量提升。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种中继协作非正交多址接入系统，包括一个信源节点、一个中继节点、一个近目的节点、一个远目的节点和一个窃听节点，其特征在于，还包括一个友好干扰器节点；

所述友好干扰器节点分别与所述信源节点和所述窃听节点之间通过传输链路通讯；

所述信源节点、友好干扰器节点、中继节点、近目的节点、远目的节点和窃听节点各配置单根天线；

所述信源节点和远目的节点之间，以及信源节点与窃听节点之间均通过中继协助传输信号；

所述友好干扰器节点分别与所述信源节点和所述窃听节点之间通过传输链路通讯，信源节点和远目的节点之间，以及信源节点与窃听节点之间均通过中继协助传输信号的具体步骤为：

S1，在每一个传输周期开始前，通过导频传输的两步信道估计方案，估计每一个信道的信道状态预测信息；

S2，根据相应信道状态预测信息，所述信源节点分别向所述中继节点、所述近目的节点和所述友好干扰器节点发送混叠信号；

S3，所述近目的节点对接收的混叠信号进行信息解码，中继节点和友好干扰器节点分别从环境射频信号中获取能量，进行能量收集；同时，中继节点对接收到的混叠信号进行信息解码，并将解码结果发送至近目的节点和远目的节点；

S4，所述信源节点向所述近目的节点发送信息信号，近目的节点对接收到的信息信号和经步骤S3接收到的解码结果进行信息解码；同时，远目的节点也对中继节点发送的信号进行信息解码；

S5，所述友好干扰器节点根据经步骤S3从环境射频信号中获取的能量，产生并发送仅混淆窃听节点的干扰信号。

2.根据权利要求1所述一种中继协作非正交多址接入系统，其特征在于，所述步骤S5具体为：

所述友好干扰器节点经步骤S3从环境射频信号中获取的能量E_J，计算仅混淆窃听节点的干扰信号的发射功率P_J：

其中，T为一个传输周期的传输时间。

3.一种如权利要求1或2所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，用于降低窃听节点接收信号进行信息解码的能力，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在每一个传输周期开始前，通过导频传输的两步信道估计方案，估计每一个信道的信道状态预测信息；

S2，根据相应信道状态预测信息，所述信源节点分别向所述中继节点、所述近目的节点和所述友好干扰器节点发送混叠信号；

S3，所述近目的节点对接收的混叠信号进行信息解码，中继节点和友好干扰器节点分别从环境射频信号中获取能量，进行能量收集；同时，中继节点对接收到的混叠信号进行信息解码，并将解码结果发送至近目的节点和远目的节点；

S4，所述信源节点向所述近目的节点发送信息信号，近目的节点对接收到的信息信号和经步骤S3接收到的解码结果进行信息解码；同时，远目的节点也对中继节点发送的信号进行信息解码；

S5，所述友好干扰器节点根据经步骤S3从环境射频信号中获取的能量，产生并发送仅混淆窃听节点的干扰信号。

4.如权利要求3所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，还包括步骤S6，通过下式计算近目的节点的安全传输概率验证近目的节点的安全传输概率是否符合预设近目的节点安全传输概率：

其中，Pr表示为概率，x₁为信源节点预计向近目的节点发送的信息符号，是中继节点对接收到的混叠信号进行信息解码时，中继节点解码信号x₁的信噪比，/>是步骤S4中近目的节点解码信号x₁'的信噪比，/>是步骤S3中近目的节点解码信号x₁的信噪比，/>是窃听节点窃听解码信号x₁的信噪比，/>表示对近目的节点的传输门限速率，/>表示对近目的节点信息的窃听速率。

5.如权利要求4所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，所述传输门限速率的取值为，/>

6.如权利要求4或5所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，还包括步骤S7，通过下式计算远目的节点的安全传输概率验证远目的节点的安全传输概率是否符合预设远目的节点安全传输概率：

其中，x₂为信源节点预计向远目的节点发送的信息符号，是第一阶段中继节点解码信号x₂的信噪比，/>是步骤S4中远目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是步骤S3中近目的节点解码信号x₂的信噪比，/>是窃听节点窃听解码信号x₂的信噪比，/>表示对远目的节点传输门限速率，/>表示对远目的节点的窃听速率。

7.如权利要求6所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，所述传输门限速率的取值为，/>

8.如权利要求7所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，还包括步骤S8，通过下式计算近目的节点和远目的节点的安全吞吐量，验证近目的节点和远目的节点的安全吞吐量是否符合预设安全吞吐量：

近目的节点的安全吞吐量为：

远目的节点的安全吞吐量为：

9.如权利要求8所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，步骤S2中，所述信源节点分别向所述中继节点、所述近目的节点和所述友好干扰器节点发送混叠信号，其发送功率P_S为0-10dBm。

10.如权利要求9所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，步骤S5具体为：

所述友好干扰器节点经步骤S3从环境射频信号中获取的能量E_J，计算仅混淆窃听节点的干扰信号的发射功率P_J：

其中，T为一个传输周期的传输时间。

11.如权利要求10所述中继协作非正交多址接入系统的信息传输方法，其特征在于，步骤S1中，所述通过导频传输的两步信道估计方案，估计每一个信道的信道状态预测信息具体为：

S1.1，通过中继节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和中继节点之间的信道增益，远目的节点通过接收到的导频估计中继节点和远目的节点之间的信道增益；

S1.2，通过近目的节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和近目的节点之间的信道增益；

S1.3，中继节点转发经步骤S1.2从近目的节点接收的导频，信源节点通过步骤1.1得到的信源节点和中继节点之间的信道增益，估计中继节点和近目的节点之间的信道增益；

S1.4，友好干扰器节点发送一个导频，信源节点通过接收到的导频估计信源节点和友好干扰器节点之间的信道增益；

S1.5，信源节点和远目的节点同时发送一个导频，中继节点和近目的节点接收导频后转发，信源节点和远目的节点分别对接收到中继节点转发的导频，先减去自己发送的导频，再解码彼此的导频，信源节点据此估计中继节点和远目的节点之间的信道增益，远目的节点据此估计信源节点和中继节点之间的信道增益，以及信源节点和近目的节点之间的信道增益。