一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法与流程

本发明涉及无线通信物理层安全领域，具体涉及一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法。

背景技术

物理层安全从信息论的角度出发，充分利用无线信道的各种传播特性，在物理层来解决通信过程中的信息安全问题。与密钥加密的方式相比，物理层安全有着很多优点，比如无需复杂度很高的算法、有着明确的安全性能评判标准等等。在数据保密方面，物理层安全技术作为密钥加密技术的一个补充或替代，己经受到了越来越多的关注。通过在物理层对信息进行处理，可以从根本上确保信息的安全性。因此，物理层安全问题的研究是无线通信信息安全发展的必然趋势，是进一步提高信息安全性的有效途径。

协作加扰技术是一项广泛应用的技术，它适用于中继网络，在中继网络里，目的节点发送加扰信号给中继，中继经过处理放大转发加扰信号广播至信宿，由于目的节点已知加扰信号，故可进行消除，而窃听者无法提前获知加扰信号信息，进而达到干扰的效果，从而提高了通信系统的安全性能。

在全双工通信系统中，全双工节点可以同时发送和接收信息，显著提升了传输速率。目前，在进行相关调研后发现，在现有的关于物理层安全性能研究工作中，缺乏将协作加扰技术、多用户分集技术以及全双工技术这三种技术方案互相融合的相关研究工作。有鉴于此，本发明人提出了一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法，其能够降低窃听信道的接收信噪比，保障信息的安全传输。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法，其应用于多用户中继网络中，该多用户中继网络包含信源节点、中继节点以及多个目的用户节点，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，所述目的用户节点采用全双工工作模式；所述传输方法包括第一时隙和第二时隙的传输，

在第一时隙，从所有目的用户节点中选择一个接收信噪比最大的用户节点作为合法用户节点，其他目的用户节点为窃听用户节点；

信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点，同时合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点；

在第二时隙，中继节点采用可变增益放大转发协议将其在第一时隙接收到的信息进行放大，并将该信息转发到目的用户节点，合法用户继续发送加扰信号到窃听用户节点。

在第一时隙，基于信源节点到目的用户的链路选择一个信噪比最大的用户节点作为合法用户节点。

所述传输方法具体包括以下步骤：

步骤1、在第一时隙，从所有目的用户节点中选择一个接收信噪比最大的用户节点作为合法用户节点，其他用户节点为窃听用户节点，则合法用户节点为其中k＝{k1,...,km}，表示为m个目的用户的集合，m为信宿的数量，表示信源节点与目的用户节点间的信道系数；窃听用户节点为其中，表示信源与潜在窃听者间的信道系数；

步骤2、在第一时隙，信源节点向中继节点和目的用户节点发送信息，合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点；信源的发送功率为ps＝αp，该时隙合法用户发送干扰信号功率为其中，p为每个时隙的总发送功率，α(0＜α＜1)为第一时隙功率分配因子；

中继接收到的信号为其中，hsr表示信源节点与中继节点间的信道系数，xs表示发送信号，xj表示加扰信号，hrk表示中继节点与合法用户节点间的信道系数，nr表示单位方差的加性白高斯噪声；

合法用户节点接收到的信号为其中，表示信源节点与合法用户节点间的信道系数，hli表示目的用户节点的自干扰的信道系数，表示单位方差的加性白高斯噪声；

窃听用户接收到的信号表达式为其中，表示信源节点与窃听用户节点间的信道系数，表示合法用户节点与窃听用户节点间的信道系数，为单位方差的加性白高斯噪声；

步骤3、在第二时隙，中继节点采用放大转发协议转发第一时隙接收到的信息到目的用户节点，合法用户继续发送加扰信号到窃听用户节点；其中，中继节点发送功率pr＝βp，第二时隙合法用户发送干扰信号的功率为β(0＜β＜1)为第二时隙功率分配因子中继节点的发送信号表示为xr＝βfyr，其中，βf为中继的放大转发因子；

中继的放大转发因子pr为中继节点发送功率，表示为pr＝βp；

合法用户接收到的信号为：

hrk表示中继节点与合法用户节点间的信道系数；为单位方差的加性白高斯噪声；

窃听用户接收到的信号表达式为

其中，xr表示中继节点的发送信号，表示单位方差的加性白高斯噪声；

窃听用户接收到的信号表达式变为

信源节点和中继节点通过正交信道传输信号到目的用户节点，由此可知目的用户节点可采用最大比合并技术来接收两路的信号，合法用户的信噪比表示为

在中高的发送信噪比下，上式近似为

窃听用户的信噪比表示为

系统的瞬时安全容量表示为cs＝[cb-cε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)；

将各个系数代入系统瞬时安全容量的表达式可得：

其中：

γsr＝|hsr|²表示信源节点到中继节点的信道功率增益，表示信源节点到合法用户节点的信道功率增益，表示信源节点到窃听用户节点的信道功率增益，γrk＝|hrk|²表示中继节点到目的用户节点的信道功率增益，表示合法用户节点到窃听用户节点的信道功率增益。

采用上述方案后，首先本发明采用机会式最优用户选择方案即从多用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，从而获得多用户分集增益并提升系统的安全性能。其次，本发明在第一时隙，信源节点同时向中继节点和目的用户节点发送信息，可以提高系统的安全速率，也丰富了系统设计的复杂性，更符合实际通信场景的需求。而且，本发明在第一时隙和第二时隙，合法用户均有向窃听用户发送加扰信号，可以降低或者减小窃听用户的信噪比，提高了系统的安全容量，保障系统的安全传输性能。

总之，本发明通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的遍历安全容量随每个时隙的总发送功率增大的变化情况示意图；

图4为遍历安全容量随目的用户节点数m增大的变化情况示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明揭示了一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法，其应用于多用户中继网络中，该多用户中继网络包含信源节点、中继节点以及多个目的用户节点(信宿)，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，目的用户节点采用全双工工作技术，存在直达路径。

信息的整个安全传输过程分为两个时隙完成，在第一时隙，信源节点发送信息到中继节点和目的用户节点，同时从所有目的用户节点中选择一个接收信噪比最大的用户节点作为合法用户节点，窃听用户节点为窃听用户节点。由于目的节点处于全双工工作模式，合法用户节点发送干扰信号到中继节点以及窃听用户节点。信源的发送功率为ps＝αp，该时隙合法用户发送干扰信号功率为其中p为每个时隙的总发送功率，α(0＜α＜1)为第一时隙功率分配因子。在第二时隙，中继节点转发信息到目的用户节点，合法用户继续发送加扰信号到窃听用户节点。中继节点发送功率pr＝βp，第二时隙合法用户发送干扰信号的功率为β(0＜β＜1)为第二时隙功率分配因子。

假设所有的加性高斯白噪声的功率为n。

本发明在第一时隙中，信源节点向中继节点发送信息的同时，也向目的节点发送信息，其目的是：由于存在多个目的用户节点，必然存在着被动窃听的情况，再加上每个目的用户节点都处于全双工工作模式，也就是该节点既然发送信号也能接收信号，所以就导致了在第一时隙，信源会发生信息给目的用户，该目的用户包括了选择的合法用户以及窃听用户。产生的效果以及好处主要是：可以提高系统的安全速率，另外也丰富了系统设计的复杂性，更符合实际通信场景的需求。

而在第二时隙中，合法用户节点向中继节点发送加扰信号的同时，也会向窃听用户节点发送加扰信号，其目的是：降低或者减小窃听用户的信噪比，产生的效果和好处主要是：提高了系统的安全容量，保障系统的安全传输性能。

在两个时隙内，合法用户均有向窃听用户发送加扰信号，在数学分析计算的层面上，相当于该信噪比的分母多个若干个因子，也就是分母变大，整体会变小，故就会导致前面所说的窃听信噪比减小，系统的安全性能会较好。

本发明的安全传输方法具体包括以下步骤：

步骤1、在第一时隙，从所有目的用户节点中选择一个接收信噪比最大的用户节点作为合法用户节点，其他用户节点为窃听用户节点，则合法用户节点为其中k＝{k1,...,km}，表示为m个目的用户的集合，m为信宿的数量，表示信源节点与目的用户节点间的信道系数；窃听用户节点为其中，表示信源与潜在窃听者间的信道系数。

步骤2、在第一时隙，信源节点向中继节点和目的用户节点发送信息，同时合法用户节点向中继节点和窃听用户节点发送干扰信号。

中继接收到的信号为其中，hsr表示信源节点与中继节点间的信道系数，xs表示发送信号，xj表示加扰信号，hrk表示中继节点与合法用户节点间的信道系数，nr表示单位方差的加性白高斯噪声。

合法用户节点接收到的信号为其中，表示信源节点与合法用户节点间的信道系数，hli表示目的用户节点的自干扰的信道系数，表示单位方差的加性白高斯噪声。

窃听用户接收到的信号表达式为其中，表示信源节点与窃听用户节点间的信道系数，表示合法用户节点与窃听用户节点间的信道系数，为单位方差的加性白高斯噪声。

步骤2、在第二时隙，中继节点采用放大转发协议转发第一时隙接收到的信息到目的用户节点，中继节点的发送信号表示为xr＝βfyr，其中，βf为中继的放大转发因子。

中继的放大转发因子pr为中继节点发送功率，表示为pr＝βp。

合法用户接收到的信号为

其中，hrk表示中继节点与合法用户节点间的信道系数。

结合中继节点的发送信号表达式以及步骤1中关于中继节点接收到的信号表达式可知，合法用户接收到的信号表达式变为

其中，为单位方差的加性白高斯噪声。

由于合法用户已经加扰信号xj,故可以去掉加扰信号，所以表达式可化为

窃听用户接收到的信号表达式为

其中，xr表示中继节点的发送信号，表示单位方差的加性白高斯噪声。

窃听用户接收到的信号表达式变为

信源节点和中继节点通过正交信道传输信号到目的用户节点，由此可知目的用户节点可采用最大比合并技术来接收两路的信号。合法用户的信噪比表示为

在中高的发送信噪比下，可认为自干扰信道的干扰信号对接收信噪比影响非常小，可忽略不计，故上式可近似为

窃听用户的信噪比表示为

系统的瞬时安全容量表示为cs＝[cb-cε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)。将各个系数代入系统瞬时安全容量的表达式可得：

其中：

γsr＝|hsr|²表示信源节点到中继节点的信道功率增益，表示信源节点到合法用户节点的信道功率增益，表示信源节点到窃听用户节点的信道功率增益，γrk＝|hrk|²表示中继节点到目的用户节点的信道功率增益，表示合法用户节点到窃听用户节点的信道功率增益。

图3是展示在基于蒙特·卡洛仿真环境下，本发明的信息传输方案和传统的信息传输方案的遍历安全容量随每个时隙的总发送功率p增大时的变化情况，其中传统模型指的是在本模型的基础上，多个目的用户节点工作模式为半双工工作模式。仿真环境:加性白高斯噪声的功率为n＝1，第一时隙功率分配因子α＝0.2，第二时隙功率分配因子β＝0.2，蒙特·卡洛仿真次数n_monte＝1000000，所有信道平均信道增益均为1。

从图中可以看出本发明的信息传输方法的遍历安全容量随着p的增大而增加，且随着信宿节点的数量增大而增加，另外，还可以看出本发明的信息传输方法的安全性能远大于传统的信息传输方法的安全性能，从而说明了采用本发明的信息传输方法所述的用户选择安全传输机制的优势。

图4是展示在基于蒙特·卡洛仿真环境下，本发明的信息传输方法和传统的信息传输方法的遍历安全容量随目的用户节点数m增大的变化情况。而仿真环境:加性白高斯噪声的功率为n＝1，第一时隙功率分配因子α＝0.2，第二时隙功率分配因子β＝0.2，蒙特·卡洛仿真次数n_monte＝1000000，所有信道平均信道增益均为1。

从图中可以看出随着目的用户节点数m的增大，本发明的信息传输方法和传统的信息传输方法的遍历安全容量都随着目的用户节点数m和总发送功率p增大而增大，并且，在总发送功率p一定的情况下，本发明的信息传输方法的安全性能优于传统的信息传输方法的安全性能。

综上，本发明提供了一种基于直达路径最优用户选择的全双工协作加扰安全传输方法，其通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。

由于本发明目的端存在多个用户，信源基于直达路径的通信方式，采用机会式最优用户选择方案即从多用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，从而获得多用户分集增益并提升系统的安全性能。

由于考虑了多用户节点处于全双工工作模式以及采用机会式最优用户选择方案，在与现有传统方案进行比较分析时可以发现，本发明的安全性能优于传统方案的安全性能。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。