无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法
【专利摘要】本发明提供了一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括：第一传输阶段：所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；第二传输阶段：所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。通过采用本发明所提供的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，可以选取最优的中继节点协作传输信息，并可以选取最优的干扰节点干扰窃听者，从而在一定发送功率下使得传输过程中的安全信息速率最大化，提高了整个网络的安全性能。
【专利说明】无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线网络通信技术，特别涉及无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法。
【背景技术】
[0002]无线多跳网络已经成为时下无线网络通信技术中一个研究的热点，随着无线多跳网络的不断发展，其应用范围也越来越广。最近的研究成果表明，在无线多跳网络中利用中继节点进行协作传输可以有效改善通信质量、提供无线多跳网络的性能。然而，利用中继节点进行协作传输可能会带来通信的安全问题，例如，发送簇簇内、接收簇簇内或簇间的节点中可能存在窃听者对无线多跳网络传输的信息进行窃听。
[0003]现有的保证无线多跳网络通信安全的方案通常都是与其他技术相结合的，例如，通过上层的加密技术来提高数据传输的安全性，这样往往使得整个方案较为复杂，而且，现有技术中鲜有方案能够解决无线多跳网络中利用中继节点协作传输带来的安全问题，尤其地，现有技术中尚无用于在无线多跳网络中利用协作传输干扰窃听者的方案。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明所要解决的技术问题是无线多跳网络中基于簇的协作传输中的信息安全问题。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为此目的，本发明提出了一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括:第一传输阶段:所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；第二传输阶段:所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。
[0008]在上述方法中，所述第一组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点；所述第二组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。
[0009]优选地，在所述第二传输阶段中，所述中继节点采用解码转发的方式将所述信息发送至所述接收簇簇头，并且所述中继节点的信息速率不小于所述接收簇簇头的信息速率。
[0010]优选地，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点向所述窃听者发送预设的干扰信号。
[0011]优选地，在所述第一传输阶段前将所述预设的干扰信号告知所述中继节点和所述接收簇簇头以便所述中继节点和所述接收簇簇头在所述第一传输阶段和第二传输阶段中消除所述干扰信号的影响。
[0012]优选地，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:使所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点定向向所述窃听者发送干扰信号。
[0013]优选地，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤包括:列出所有能作为所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的节点组合；基于所列出的每一组节点组合，在一定发送功率下，计算所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率；选择使所述第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为所述选定的第一组干扰节点，选择使所述第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为所述选定的第二组干扰节点，选择使所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为所述选定的中继节点。
[0014]优选地，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。
[0015]优选地，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤还包括:获取所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的功率分配权值。
[0016](三)有益效果
[0017]本发明所提供的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法能够选取最优的中继节点及第一和第二组干扰节点，使得传输过程中的安全信息速率最大化。本发明填补了现有技术中尚无在无线多跳网络中利用中继节点协作传输来干扰窃听者的技术方案的空白，同时使得在无线多跳网络中利用中继节点协作传输时，不再需要结合加密技术等其他技术即可保障信息传输的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的示意图；
[0019]图2是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的流程图；
[0020]图3A是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第一传输阶段的示意图；
[0021]图3B是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第二传输阶段的示意图；
[0022]图4是根据本发明实施例的中继节点和各干扰节点选取流程图；
[0023]图5是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率与发送功率的仿真对比图；
[0024]图6是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率 与候选节点的仿真对比图。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的示意图。如图1所示，S、D分别为源节点和目的节点，两者相距较远，需要通过中间节点协助进行通信，这些中间节点形成中继节点，由同一簇内的节点将信息传输至下一个簇，以此通过中继簇将信息由源节点S传输至目的节点D。在发送簇簇内、接收簇簇内和发送簇与接收簇的簇间存在窃听者对传输过程进行窃听，为了保证通信过程的安全性，通过对窃听者发送干扰信号以抑制其窃听。由于每一组发送簇和接收簇间的数据传输过程是相似的，因此可以通过一组发送簇和接收簇的数据传输过程来描述该方法。
[0026]图2示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的流程图。如图2所示，该传输方法可以包括:
[0027]第一传输阶段:发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；
[0028]第二传输阶段:所述中继节点优选地以DF (Decode-and-Forward,解码转发)的方式将信息发送至接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对窃听者进行干扰。
[0029]图3A和3B分别示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第一和第二传输阶段的不意图。
[0030]如图3A所示，在第一传输阶段中，发送簇簇头将信息发送至中继节点，在这一过程中，发送簇簇内窃听者和簇间窃听者(可以忽略接收簇簇内窃听者的影响)会对信息进行窃听，需要选择第一组干扰节点来对上述窃听者进行干扰。对于发送簇簇内窃听者，可以在发送簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于簇间窃听者，可以在发送簇和接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰。即第一组干扰节点包括对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。
[0031]如图3B所示，在第二传输阶段中，中继节点将信息发送至接收簇簇头，在这一过程中，发送簇簇内窃听者、簇间窃听者和接收簇簇内窃听者都会对信息进行窃听，需要选择第二组干扰节点来对上述窃听者进行干扰。对于发送簇簇内窃听者，可以在发送簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于接收簇簇内窃听者，可以在接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于簇间窃听者，可以在发送簇或接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰。即第二组干扰节点包括对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。
[0032]为了保证传输过程的安全性，需要在发送簇内选择最优的中继节点，同时针对各窃听者在发送簇或接收簇内选取最优的干扰节点对窃听者进行相应的干扰。在下文中，将会详细描述中继节点与干扰节点的选取方法。
[0033]图4示出了根据本实施例的中继节点和各干扰节点选取流程图。如图4所示，第一传输阶段和第二传输阶段中的中继节点和各干扰节点的选取方法如下:
[0034]S41:列出所有可作为中继节点、第一组干扰节点和第二组干扰节点的节点组合；
[0035]S42:基于所列出的每一组节点组合，计算第一传输阶段的安全信息速率和第二传输阶段的安全信息速率；
[0036]S43:选择使第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为最优的第一组干扰节点，选择使第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为最优的第二组干扰节点，选择使第一传输阶段的安全信息速率和第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为最优的中继节点。其中，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。
[0037]在根据本实施例的传输方法中，设定整个传输过程的总功率，在选择中继节点以及第一和第二组干扰节点的同时，获得中继节点以及第一和第二组干扰节点的功率分配权值。之后，中继节点以及第一和第二组干扰节点根据其功率分配权值进行相应传输。具体而言，可以设定整个传输阶段的总发送功率为Ptl，第一传输阶段中各节点的总发送功率为P(1)，第二传输阶段中各节点的总发送功率为P(2)，其中，P(1)+Pia=Pc^
[0038]I)第一传输阶段:
[0039]可以设定发送簇簇头的发送功率为Pht ;可以设定所有发送簇簇内干扰节点的发送功率之和为Pi⑴，并用表示发送簇簇内干扰节点集合的权值分配向量；可以设定
所有簇间干扰节点的发送功率之和为pg),并用Wp)表示簇间干扰节点集合的权值分配向
量；可以设定位于发送簇簇内的簇间干扰节点的发送功率之和为Ρ?ω，并用wp1)表示该节点集合的权值分配向量。其中,Ot为共轭转置算子，各节点的发送功率之和为第一传输阶段的总发送功率，即:PHT+PJ(:1)+lf)=P⑴。
[0040]以各表示发送簇簇头发送的信息，2:表示预设的干扰信号。
[0041]中继节点接收到的信号为:
[0042]
[0043]其中，nE为中继节点接收到的噪声，nE服从高斯分布CN~(0，σ 2)，hHTE表示发送簇簇头Ht与中继节点的信道增益，hji1)和分别表示发送簇簇内干扰节点集合和簇间干扰节点与中继节点的信道增益向量。
[0044]需要说明的是，可以在第一传输阶段前，预先将预设的干扰信号告知中继节点和接收簇簇头，以便中继节点和接收簇簇头可以在第一和第二传输阶段中消除干扰信号的影响；或者，还可以通过无线定向传输技术，使第一和第二组干扰节点定向地向对应的窃听者发送干扰信号，从而直接避免干扰信号对中继节点的影响。因此，根据香农公式，可以得到中继节点的最大信息速率为；
【权利要求】
1.一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括: 第一传输阶段:所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰； 第二传输阶段:所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二传输阶段中，所述中继节点采用解码转发的方式将所述信息发送至所述接收簇簇头，并且所述中继节点的信息速率不小于所述接收簇簇头的信息速率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点向所述窃听者发送预设的干扰信号。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括:在所述第一传输阶段前将所述预设的干扰信号告知所述中继节点和所述接 收簇簇头以便所述中继节点和所述接收簇簇头在所述第一传输阶段和第二传输阶段中消除所述干扰信号的影响。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:使所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点定向向所述窃听者发送干扰信号。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤包括: 列出所有能作为所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的节点组合； 基于所列出的每一组节点组合，在一定发送功率下，计算所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率； 选择使所述第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为所述选定的第一组干扰节点，选择使所述第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为所述选定的第二组干扰节点，选择使所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为所述选定的中继节点。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤还包括:获取所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的功率分配权值。
【文档编号】H04K3/00GK103475441SQ201310320208
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年7月26日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】王莉, 马跃, 满毅, 曹春艳, 都晨辉, 张勇, 滕颖蕾, 刘洋, 魏翼飞, 宋梅, 陶雄强, 雷旭 申请人:北京邮电大学