一种利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法与流程

技术特征：

1.一种利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，所述利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法包括以下步骤：

步骤一，将无线节点的协作行为、协同方式、协作协议与OFDM技术进行融合；再对各种融合方案进行性能分析和适应场景仿真；进行综合对比，获得不同条件下有效的物理层安全方案；

步骤二，建立综合节点协同行为机制和OFDM技术的物理层安全模型，先建立基于节点协同、OFDM和虚拟MIMO技术的物理层安全模型；然后对模型进行合理抽象，建立独立场景下数学优化方程；

步骤三，对各种独立场景下的优化方程求解；进行复杂场景下的优化求解；再对优化方法和复杂度进行综合分析；最后获得基于节点协同和OFDM技术的物理层安全性能的优化和分析方法。

2.如权利要求1所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，所述物理层安全模型的两用户协同OFDM系统窃听信道模型定义如下：两协同用户S_i，S_j分别分配N_i和N_j个相互独立的子载波，系统中只存在一个窃听方，同样使用OFDM进行解调；发送方获知其与协同用户以及窃听方的信道状态信息。

3.如权利要求2所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，所述物理层安全模型的两用户协同包括：

用户S_i使用n_i个子载波向自己的目的节点发送信息，使用N_i－n_i个子载波向协同伙伴S_j和S_j的目的节点D_j发送信息；

用户S_j使用n_j个子载波向自己的目的节点发送信息，使用N_j－n_j个子载波向协同伙伴S_i和S_i的目的节点D_i发送信息。

4.如权利要求2所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，所述发送方发送信号向量分别为X_i＝[x_1i,x_2i,,,x_Ni]和X_j＝[x_1j,x_2j,,,x_Nj]，其中x_k为在第k个子载波上发送的信号；S_i与D_i、D_j和S_j之间的信道状态信息向量分别记为：H_i1＝[h_i1,h_i2,,,h_in]、H_i2＝[h_i(n+1),h_i(n+2),,,h_iN]和H_i3＝[h_i(Ni+1),h_i(Ni+2),,,h_i(Ni+n)]，相应地加性噪声向量记为W_i1＝[w_i1,w_i2,,,w_in]，W_i2＝[w_i(n+1),w_i(n+2),,,w_iN]和W_i3＝[w_i(Ni+1),w_i(Ni+2),,,w_i(Ni+n)]；S_j与D_j、D_i和S_i之间的信道状态信息向量分别记为：H_j1＝[h_j1,h_j2,,,h_jm]、H_j2＝[h_j(m+1),h_j(m+2),,,h_Nj]和H_j3＝[h_i(Nj+1),h_j(Nj+2),,,h_j(Nj+m)]，相应地加性噪声向量记为W_j1＝[w_j1,w_j2,,,w_jn]，W_j2＝[w_j(n+1),w_j(n+2),,,w_jN]和W_j3＝[w_j(Nj+1),w_j(Nj+2),,,w_j(Nj+m)]；定义发送方与窃听方之间的信道为窃听信道，则窃听信道的信道状态信息向量分别为G_i＝[g_i1,g_i2,,,g_iNi]和G_j＝[g_j1,g_j2,,,g_jNj]，窃听信道加性噪声向量分别为V_i＝[v_i1,v_i2,,,v_iNi]和V_j＝[v_j1,v_j2,,,v_jNj]；合法用户在发送方分配的指定载波信道进行数据接收，两个目的节点在这两个阶段接收的信号向量分别记为Y_i1＝[y_i11,y_i12,,,y_i1n]，Y_i2＝[y_i21,y_i22,,,y_i2(Nj-m)],Y_j1＝[y_j11,y_j12,,,y_j1m]和Y_j2＝[y_j21,y_j22,,,y_j2(Ni-n)]；窃听方可接收到所有载波上传送的信息，将其接收信号向量分别记为Z₁＝[z₁₁,z₁₂,,,z_1Ni]和Z₂＝[z₂₁,z₂₂,,,z_2Nj]；则两个授权目的用户与窃听方在各个载波上接收的信号分别表示为：

y_i1k＝x_ikh_ik+w_ik；

y_i2k＝x_j(m+k)h_j(m+k)+w_j(m+k)；

y_j1k＝x_jkh_jk+w_jk；

y_j2k＝x_i(n+k)h_i(n+k)+w_i(n+k)；

z_1k＝x_ikg_1k+v_ik；

z_2k＝x_jkg_jk+v_jk。

5.如权利要求2所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，对于单个载波上的信号来说，协同传输包括：

x_ik是从S_i广播到S_j和它的目的节点D_i的信息，那么在目的节点D_i处接收到的信号就表示为：

y_i1k＝x_ikh_ik+w_ik；

而在S_j处接收到的信号为：

y_ijk＝x_ikh_i(Ni+k)+w_i(Ni+k)；

S_j放大y_ijk，并且把它中继转发到D_i；那么，此时在D_i出接收到的信号就是：

y_i2k＝x_j(m+k)h_j(m+k)+w_j(m+k)，其中

x_j(m+k)就是从S_j传输到D_i的信号；把y_ijk＝x_ik h_i(Ni+k)+w_i(Ni+k)代入重新表示为：

$y_{i2k}=\frac{h_{j(m+k)}\sqrt{E\left(x_{j(m+k)}^2\right)}(x_{ik}{h}_{i(Ni+k)}+w_{i(Ni+k)})}{\sqrt{|h_{i(Ni+k)}{|}^{2}E\left(x_{ik}^2\right)+E\left(w_{i(Ni+k)}^2\right)}}+w_j(m+k);$

于是，S_j帮助S_i向目的D_i传输数据获得的中继SNR就是：

${\mathrm{\λ}}_{ijk}^i=\frac{\left|h_{j(m+k)}{|}^2\right|h_{i(Ni+k)}{|}^{2}E\left(x_{j(m+k)}^2\right)E\left(x_{ik}^2\right)}{|h_{i(Ni+k)}{|}^{2}E\left(x_{ik}^2\right)E\left(w_{j(m+k)}^2\right)+|h_{j(m+k)}{|}^{2}E\left(x_{j(m+k)}^2\right)E\left(w_{i(Ni+k)}^2\right)+E\left(w_{i(Ni+k)}^2\right)E\left(w_{j(m+k)}^2\right)}.$

6.如权利要求5所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，用最大信噪比组合方案将两个阶段的接收信号进行组合，节点S_i在其目的D_i处获得的有效保密速率表示为：

$R_{ijk}^S=log(1+{\mathrm{\λ}}_{ik}^i+{\mathrm{\λ}}_{ijk}^i)-log(1+{\mathrm{\λ}}_{ik}^E);$

表示直接传输时候的SNR，也就是在第一个时隙，S_i直接传输到目的节点D_i的信噪比；表示S_i直接传输到窃听节点E的信噪比SNR；节点S_i在S_j的协同帮助下，在其目的D_i处获得的总有效保密速率表示为：

$R_{ij}^S=\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{R}_{ijk}^S;$

基于同样的分析，节点S_j在其目的D_j处获得的有效保密速率表示为：

$R_{jil}^S=log(1+{\mathrm{\λ}}_{jl}^j+{\mathrm{\λ}}_{jil}^j)-log(1+{\mathrm{\λ}}_{jl}^E);$

表示直接传输时候的SNR，也就是在第一个时隙，S_j直接传输到目的节点D_j的信噪比；表示S_j直接传输到窃听节点E的信噪比SNR；节点S_j在S_i的协同帮助下，在其目的D_j处获得的总有效保密速率表示为：

$R_{ji}^S=\underset{l=1}{\overset{m}{\Σ}}{R}_{jil}^S.$

7.如权利要求2所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，对于第k个载波，节点S_i通过直接传输在其目的D_i处获得的有效保密速率表示为：

$R_{ik}^S=log(1+{\mathrm{\λ}}_k^i)-log(1+{\mathrm{\λ}}_{ik}^E);$

此时，在其目的D_i处获得的总有效保密速率表示为：

$R_i^S=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\Σ}}{R}_{ik}^S;$

对于第l个载波，节点S_j通过直接传输在其目的D_j处获得的有效保密速率表示为：

$R_{jl}^S=log(1+{\mathrm{\λ}}_{jl}^j)-log(1+{\mathrm{\λ}}_{jl}^E);$

在其目的D_j处获得的总有效保密速率表示为：

$R_j^S=\underset{l=1}{\overset{N_j}{\Σ}}{R}_{jl}^S.$

8.如权利要求7所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，对于节点D_i和D_j，效用函数U_i和U_j定义为：

$U_i=R_{ij}^S;$

$U_j=R_{ji}^S;$

和这样U_i和U_j就重新表示如下：

$U_i(r_i,s_i,s_j)=r_{i}Wlog(1+\frac{a_i{s}_i}{r_i}+\frac{b_i{c}_i{s}_i(1-s_j)}{r_i\[b_i{s}_i+c_i(1-s_j)+r_i\]});$

$U_j(r_j,s_i,s_j)=r_{j}Wlog(1+\frac{a_j{s}_j}{r_j}+\frac{b_j{c}_j{s}_j(1-s_i)}{r_j\[b_j{s}_j+c_j(1-s_i)+r_j\]}).$

9.如权利要求6所述的利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法，其特征在于，S_j帮助S_i向目的D_i传输数据获得的中继SNR就是：

${\mathrm{\λ}}_{ijk}^i=\frac{\left|h_{j(m+k)}{|}^2\right|h_{i(Ni+k)}{|}^{2}E\left(x_{j(m+k)}^2\right)E\left(x_{ik}^2\right)}{|h_{i(Ni+k)}{|}^{2}E\left(x_{ik}^2\right)E\left(w_{j(m+k)}^2\right)+|h_{j(m+k)}{|}^{2}E\left(x_{j(m+k)}^2\right)E\left(w_{i(Ni+k)}^2\right)+E\left(w_{i(Ni+k)}^2\right)E\left(w_{j(m+k)}^2\right)};$

再用最大信噪比组合方案将两个阶段的接收信号进行组合，节点S_i在其目的D_i处获得的有效保密速率表示为：

$R_{ijk}^S=log(1+{\mathrm{\λ}}_{ik}^i+{\mathrm{\λ}}_{ijk}^i)-log(1+{\mathrm{\λ}}_{ik}^E).$

10.一种应用权利要求1～9任意一项所述利用中继节点协作形成虚拟MIMO的方法的无线通信系统。