本發(fā)明涉及無線通信和物理層安全領域，特別涉及一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法。本發(fā)明涉及無線通信物理層安全及協(xié)作通信領域，特別涉及到一種基于協(xié)作干擾下全雙工目的端加擾非可信中繼的傳輸方法。

背景技術：

隨著網絡技術的快速發(fā)展，越來越復雜的網絡結構使得信息的安全傳輸更容易受到威脅?；诿荑€體制的高層安全協(xié)議和加密算法等方法雖然可以在一定程度上提升信息安全性，但無法克服無線信道的廣播特性和迅速提升的計算能力對信息安全產生的不利影響。物理層安全技術通過充分利用無線信道復雜的空間特性和時變特性，直接從物理層保障信息傳輸的安全性。

相比與傳統(tǒng)無線通信網絡，無線網絡中協(xié)同中繼技術的研究受到了廣泛關注，協(xié)作中繼通信能夠擴大網絡覆蓋范圍，并能確保更高的吞吐量和服務質量。協(xié)作中繼傳輸方法能夠改善無線通信的安全性能。協(xié)作中繼網絡的三節(jié)點通信模型與傳統(tǒng)wiretap通信模型相比，主要區(qū)別是前者除了存在外部竊聽節(jié)點外，還可能存在非可信中繼節(jié)點的竊聽。非可信中繼在輔助轉發(fā)信息同時也在試著竊聽信源端信息，這時非可信中繼就成為內部竊聽者，從而導致系統(tǒng)無法獲得正安全容量。

在衰落信道中，大多數研究者采用的中繼節(jié)點為可信中繼，協(xié)作中繼安全傳輸中除了友好的中繼節(jié)點外，也可能存在非可信的中繼節(jié)點。然而當中繼為非可信中繼時，對系統(tǒng)的安全性能有非常大的影響。當非可信中繼采用解碼轉發(fā)協(xié)議傳輸時，中繼節(jié)點將比目的端接收到更準確的信息，會導致無法獲得系統(tǒng)正安全容量。因此，非可信中繼通信系統(tǒng)一般采用放大轉發(fā)協(xié)議進行信息轉發(fā)，但系統(tǒng)的安全容量也不會有太大的提升。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法，對于非可信中繼而言，為了增強系統(tǒng)安全傳輸性能，本發(fā)明采用全雙工目的端加擾技術，即目的端接收信息的同時加擾非可信中繼。該過程分兩個時隙完成，第一時隙，信源發(fā)送信息到中繼和目的端，同時目的端對非可信中繼發(fā)送干擾信號，防止中繼竊聽有用信息；第二時隙，中繼將接收的信息放大轉發(fā)至目的端；目的端將接收的兩路信息進行最大比合并，以獲得最大接收信噪比，使得全雙工目的端獲得最大化系統(tǒng)安全容量。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法，應用在包括信源、中繼和目的端三個節(jié)點的無線通信系統(tǒng)中，其特征在于，所述中繼為非可信中繼；所述目的端配置兩根天線且工作于全雙工模式下，并且收發(fā)天線固定，其余節(jié)點均配置單根天線，所述無線通信系統(tǒng)信息的傳輸過程分為兩個時隙完成，所述全雙工加擾傳輸方法包括：

第一時隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時向中繼發(fā)送干擾信號；

第二時隙中，中繼采用放大轉發(fā)協(xié)議將第一時隙內接收的信號放大后轉發(fā)至目的端；

目的端根據估計得到的信道信息進行自干擾消除，并將第一時隙和第二時隙接收到的信息進行最大比合并。

所述兩個時隙的每個時隙總功率為p,信源發(fā)送信息的功率為ps＝αp，目的端發(fā)送干擾信號的功率為pd＝(1-α)p，其中α∈(0,1)為功率分配因子，中繼發(fā)送功率為pr＝p。

所述第一時隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時向中繼發(fā)送干擾信號，包括獲得中繼和目的端在第一時隙內的接收信噪比，如下：

信源s將信息廣播至中繼r和目的端d，與此同時，目的端發(fā)送人工噪聲信號到中繼節(jié)點來防止中繼竊聽；中繼接收信號的表達式為其中hsr為信源至中繼的信道參數，hdr為目的端至中繼的信道參數，xs為單位方差信源信號，xd為單位方差目的端人工噪聲信號，nr表示中繼的方差為σ²的加性白高斯噪聲；同時，目的端在第一時隙內接收信號的表達式可表示為hsd為直達路徑信源到目的端的信道參數，hli為目的端收發(fā)天線間的自干擾信道參數，nd1表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲；在第一時隙中，根據上述表達式，求得中繼和目的端在第一時隙內的接收信噪比表達式分別為：其中γsr＝ρ|hsr|²，γrd＝ρ|hrd|²，γsd＝ρ|hsd|²，γli＝ρ|hli|²，ρ＝p/n0為系統(tǒng)發(fā)送信噪比，hrd表示中繼與目的端之間的信道參數，由于信道互易性，hdr＝hrd。

所述第二時隙中，中繼采用放大轉發(fā)協(xié)議將第一時隙內接收的信號放大后轉發(fā)至目的端，包括獲得目的端在第二時隙中的接收信噪比，如下：

在第二時隙中，中繼采用放大轉發(fā)協(xié)議將信源信息進行轉發(fā)，目的端接收信號表示為其中nd2表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲，中繼發(fā)送的信號xr表示為xr＝βyr；其中β是放大轉發(fā)中繼節(jié)點的功率放大因子，表示為β²＝1/(ps|hsr|²+pd|hdr|²+σ²)；由yr的表達式得到

由上可得在第二時隙中，目的端的接收信噪比為

所述目的端根據估計得到的信道信息進行自干擾消除，并將第一時隙和第二時隙接收到的信息進行最大比合并，包括獲得目的端d的接收信噪比γd：

信源s和中繼r通過正交信道傳輸信息到目的端d，故目的端d采用最大比合并技術接收兩路信號；可得目的端d的接收信噪比γd可以表示為：

在中高信噪比區(qū)域，上式可進一步近似為：

根據中繼在第一時隙內的接收信噪比和目的端在兩個時隙內的接收信噪比計算出系統(tǒng)的瞬時安全容量，如下：

竊聽信道的信道容量表示為合法信道的信道容量表示為則系統(tǒng)的瞬時安全容量可以表示為其中[x]⁺＝max{0,x}；

將中繼的接收信噪比γr和目的端的接收信噪比γd代入上式，得到系統(tǒng)的瞬時安全容量為：

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過目的端發(fā)送干擾噪聲到中繼，而且目的端在接收中繼的轉發(fā)信息時，可以把自身發(fā)送干擾噪聲消除，從而不受自身發(fā)送的干擾噪聲的影響；

(2)本發(fā)明設計了信源和目的端的發(fā)送功率最優(yōu)分配方案，既能使信源高效地發(fā)送信息到目的端，又能使目的端有效地干擾中繼接收有用信息，從而讓系統(tǒng)的安全容量最大化。

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明無線通信系統(tǒng)的結構框圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的半雙工方法隨著發(fā)送功率的變化曲線的性能對比圖；

圖4為本發(fā)明方法與傳統(tǒng)半雙工方法隨著信源到中繼的平均信道增益ωsr的變化曲線對比圖。

具體實施方式

參見圖1所示，一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法，應用在包括信源s、中繼r和目的端d三個節(jié)點的無線通信系統(tǒng)中，其中中繼為非可信中繼，工作協(xié)議為放大轉發(fā)協(xié)議，如果中繼采用解碼轉發(fā)方式傳輸時，中繼優(yōu)先于目的端收到更準確的解碼信息，無法獲得正安全容量，因此，非可信中繼通常采用放大轉發(fā)中繼。當中繼為非可信中繼時，即中繼在接收信源有用信息的同時也在竊聽信源信息。因此，本發(fā)明使用一種目的端發(fā)送人工噪聲的方法，用于干擾中繼竊聽。目的端配置兩根天線且工作于全雙工模式下，且收發(fā)天線固定，其余節(jié)點配置單根天線，信源到目的端之間存在直達路徑，系統(tǒng)中的各個信道均服從瑞利衰落信道。本發(fā)明方法中，信息的整個傳輸過程分為兩個時隙完成，在第一個時隙，信源將有用信息廣播至中繼和目的端，中繼在接收信源的有用信息的同時也會竊聽信息，為了防止中繼竊聽，全雙工目的端在接收信源信息的同時將會發(fā)送人工噪聲干擾中繼的竊聽；在第二時隙中，中繼將接收到的信息通過放大轉發(fā)的方式轉發(fā)到目的端，在這個時隙內，目的端只接收信息。目的端在第一時隙內為全雙工工作模式，由于目的端已知自身發(fā)送的干擾信號，可實施自干擾消除。本發(fā)明方法中的非可信中繼在實際通信環(huán)境中是經常存在的，比如在信息安全傳輸的過程中往往會遇到一些不可靠的因素，比如在政府情報網絡以及金融系統(tǒng)網絡中，信息經過中繼協(xié)同網絡進行傳輸時，中繼的安全許可等級一般較低，對于待傳輸信息而言，中繼是未授權的，即非可信中繼，在輔助轉發(fā)信息的同時實際上是在竊聽信息。

參見圖2所示，一種非可信中繼網絡中全雙工加擾傳輸方法，步驟包括：

步驟201，第一時隙中，信源發(fā)送信息給中繼和目的端，目的端接收信源信息同時向中繼發(fā)送干擾信號。

本發(fā)明方法中，信息傳輸分兩個時隙完成，設每個時隙的總功率為p,信源發(fā)送信息的功率為ps＝αp，目的端發(fā)送干擾信號的功率為pd＝(1-α)p，其中α∈(0,1)為功率分配因子，中繼發(fā)送功率為pr＝p。在第一時隙中，信源s將信息廣播至中繼r和目的端d，與此同時，目的端發(fā)送人工噪聲信號到中繼節(jié)點來防止中繼竊聽。中繼接收信號的表達式為其中ps為信源的發(fā)送功率，pd為目的端的發(fā)送功率，hsr為信源至中繼的信道參數，hdr為目的端至中繼的信道參數，xs為單位方差信源信號，xd為單位方差目的端人工噪聲信號，nr表示中繼的方差為σ²的加性白高斯噪聲；同時，目的端在第一時隙內接收信號的表達式可表示為hsd為直達路徑信源到目的端的信道參數，hli為目的端收發(fā)天線間的自干擾信道參數，nd1表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲。在第一時隙中，根據上述表達式，我們可以求得中繼和目的端在第一時隙內的接收信噪比表達式分別為：其中γsr＝ρ|hsr|²，γrd＝ρ|hrd|²，γsd＝ρ|hsd|²，γli＝ρ|hli|²，ρ＝p/n0為系統(tǒng)發(fā)送信噪比，hrd表示中繼與目的端之間的信道參數，由于信道互易性，hdr＝hrd。

步驟202，第二時隙中，中繼采用放大轉發(fā)協(xié)議將第一時隙內接收的信號放大后轉發(fā)至目的端。

基于上述步驟201，由于中繼采用了放大轉發(fā)協(xié)議，將第一時隙內中繼接收的信號進行放大再轉發(fā)給目的端。因此，中繼發(fā)送的信號可以表示為xr＝βyr，其中β是放大轉發(fā)中繼節(jié)點的功率放大因子，它可以表示為β²＝1/(ps|hsr|²+pd|hdr|²+σ²)，其中ps為信源的發(fā)送功率，pd為目的端的發(fā)送功率，hsr為信源至中繼的信道參數，hdr為目的端至中繼的信道參數。

在第二時隙中，中繼將信源信息進行轉發(fā)。由此可知第二時隙中，目的端接收信號表達式為其中nd2表示目的端的方差為σ²的加性白高斯噪聲，pr表示中繼在第二時隙的發(fā)送功率，xr表示中繼發(fā)送信號，且根據上述步驟它可以表示為xd為單位方差目的端人工噪聲信號，目的端在接收中繼信號能夠正確解碼出人工噪聲信號。由此可得在第二時隙中，目的端的接收信噪比為

步驟203，目的端根據估計得到的信道信息進行自干擾消除，并將第一時隙和第二時隙接收到的信息進行最大比合并。

基于上述步驟202，由于目的端已知自身發(fā)送的干擾信號，可實施自干擾消除。信源s和中繼r通過正交信道傳輸信息到目的端d，故d可采用最大比合并技術接收兩路信號。由上述步驟可得d的接收信噪比γd可以表示為基于當前技術，可將自干擾信道的干擾信號抑制到噪聲的水平。當系統(tǒng)在中高的發(fā)送信噪比下，可以認為剩余的自干擾信號對接收信噪比影響非常小，可以忽略不計，便于數學分析并得出諸多有意義的結論。在中高信噪比(大于5db)區(qū)域，上式可進一步近似為：

進一步的，高斯竊聽信道的信道容量表示為合法信道的信道容量與竊聽信道的信道容量之差。針對本發(fā)明方法，竊聽信道的信道容量可表示為合法信道的信道容量可表示為則系統(tǒng)的瞬時安全容量可以表示為其中[x]⁺＝max{0,x}。

將中繼的接收信噪比γr和目的端的接收信噪比γd代入上式，可得系統(tǒng)的瞬時安全容量為

如圖3所示為本發(fā)明的傳輸方法與傳統(tǒng)的半雙工方法隨著發(fā)送功率的變化曲線的性能對比。設置各個信道的平均信道增益分別為ωsr＝ωrd＝10和ωsd＝9，α＝0.5。由圖3可知，傳統(tǒng)的半雙工方法隨著發(fā)送信噪比的增加，平均安全速率趨于一常數，而本發(fā)明的傳輸性能隨著信噪比的增加平均安全速率迅速增加，凸顯出本發(fā)明傳輸方法的性能優(yōu)越性。

如圖4所示為本發(fā)明傳輸方法與傳統(tǒng)半雙工方法隨著信源到中繼的平均信道增益ωsr的變化曲線對比圖。設置各自信道的平均信道增益為ωrd＝10和ωsd＝9，功率分配因子α＝0.5。從圖中可以明顯看出本發(fā)明方法基本不會隨著竊聽信道增益增加而減少，而傳統(tǒng)半雙工會隨著ωsr的增加而下降至零。因此可以看出全雙工加擾非可信中繼對性能提升十分明顯。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。