技术领域
[0001] 本
发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法。
背景技术
[0002] 随着无线通信应用领域的不断扩展和服务内容的不断增加，无线通信网络的信息安全问题越来越被人们所重视。在传统通信网络中，信息安全是通过高层加密体制加以保障的，但随着计算机运算能
力的日益强大，传统加密体制已经不能满足当前无线通信网络的安全需求，这意味着需要新的方法来确保信息安全。近年来，物理层安全技术通过利用无线信道本身的特性使窃听者无法正确解码，从而保证信息的安全传输，被认为是一种很有潜力的安全技术。
[0003] 作为一种改进，在物理层安全领域常采用中继协作技术，它不仅可以扩大网络
覆盖范围和提高数据传输速率，还可以提高无线通信网络的安全性能。在中继协作传输的过程中，传统中继
节点多采用半双工模式，无法同时发送和接收
信号，因此在中继转发阶段源节点必须保持静默，从而导致其
频谱效率仅为直接传输时的一半。而若采用全双工中继虽然可以提高频谱效率，但其
硬件设计较为复杂，且难以处理同时接收与发送信号产生的自干扰，因此在很多场景下并不适用。
[0004] 作为一种改进，研究者们提出了轮流中继网络，通过合理安排多个半双工中继交替转发信号来模拟一个全双工节点，从而达到中继同时收发信号的效果。但是轮流中继网络仍然面临着被窃听的
风险，因此，综上所述，
现有技术轮流中继网络中存在中继间干扰对于目的节点有一定影响，轮流中继网络的安全传输性能不够高而导致的中继网络仍然面临着被窃听的风险。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，解决了现有技术因中继网络的安全传输性能不够高而导致其存在被窃听的风险的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，
[0007] 一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，具体包括如下步骤：
[0008] 步骤1：建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN；然后进行整个传输；
[0009] 步骤2：传输包括：
[0010] 第一阶段：源节点向中继节点发送不包含保密信息的信息；
[0011] 第二阶段：从备选中继节点中选择最优的中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送第二阶段的保密信息；
[0012] 第三阶段：从备选中继节点中选择与上一阶段不相同的最优中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发上一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送本阶段的保密信息；
[0013] 第四阶段：从第四阶段-第T-1阶段，如第三阶段，不断循环往复；
[0014] 第T阶段：被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第T-1阶段的信息，通信结束。
[0015] 本发明的特点还在于，
[0016] 步骤2中，所述第一阶段的具体过程如下：
[0017] 步骤2.1：源节点向中继节点发送信息，中继和窃听者接收到的信号分别为如下公式(1)和公式(2)：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，xS(t)，(t＝1,…,T)为S在第t阶段发送的信号，PS为源节点的发射功率，nA(t)为第t阶段节点A处的加性高斯白噪声，hAB(t)为第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数。
[0021] 步骤2中，第二阶段的具体过程如下：
[0022] 步骤2.2.1记被选中继为Rj，中继Rj的转发信号 为如下公式(3)：
[0023]
[0024] 其中，G1为放大转发因子，即 N0为噪声功率；
[0025] 步骤2.2.2：目的节点接收到的信号为如下公式(4)：
[0026]
[0027] 其中，PR为中继节点的发射功率；
[0028] 步骤:2.2.3：源节点发送保密信号xS(2)，中继Rj因进行信号转发没有接收到该信号，而其余中继及所有窃听者既接收到了来自中继Rj的转发信号 又接收到了来自源节点的保密信号xS(2)，在该阶段中继与窃听者接收到的信号分别为如下公式(5)和公式(6)：
[0029]
[0030]
[0031] 步骤2中，第三阶段的具体过程如下：
[0032] 步骤2.3.1记被选中继为Rk，中继Rk的转发信号 为如下公式(7)：
[0033]
[0034] 其中，
[0035] 步骤2.3.2：目的节点接收到的信号为如下公式(8)：
[0036]
[0037] 步骤2.3.3：使用干扰消除方法消除中继间干扰对接收信号的影响，由公式(4)可得如下公式(9)：
[0038]
[0039] 将公式(9)代入公式(8)中，并去掉信号yD(2)，得到如下公式(10)：
[0040]
[0041] 步骤2.3.4：源节点发送保密信号xS(3)，中继及窃听者接收到的信号分别为如下公式(11)和公式(12)：
[0042]
[0043]
[0044] 步骤2.3.5：根据公式(6)及公式(10)，在高
信噪比的条件下，忽略信道噪声，窃听者与目的节点关于保密信号xS(2)的接收信噪比分别为如下公式(13)和公式(14)：
[0045]
[0046]
[0047] 步骤2.3.6：得到保密信号xS(2)的瞬时安全速率如下公式(15)：
[0048]
[0049] 步骤2中，第四阶段的具体过程如下：
[0050] 步骤2.4.1记其中任意一个阶段为第k阶段，可以得到第k阶段的瞬时安全速率如下公式(16)、公式(17)和公式(18)：
[0051]
[0052] 其中：
[0053]
[0054]
[0055] 其中Rp、Rf分别表示在第k-1阶段与第k阶段选出的转发中继；
[0056] 步骤2.4.2：得到第k阶段的安全中断概率如下公式(19)：
[0057] Pout(k)＝P(CS(k)＜R) (19)，
[0058] 其中，R为系统的目标传输速率。
[0059] 步骤2中，第T阶段的具体过程如下：
[0060] 步骤2.5.1：得到系统在T个阶段的平均安全中断概率如下公式(20)：
[0061]
[0062] 步骤2.5.2：最小化 等价于使任意阶段k的瞬时安全速率最大，并且第k阶段目的节点接收到的保密信号总是在第k-1阶段被窃听，在第k-1阶段的中继选择过程中，中继Rp的选择策略为如下公式(21)：
[0063]
[0064] 其中，b表示上一阶段由于转发信息而不能在当前阶段被选择的中继；
[0065] 步骤2.5.3：得到 的闭式表达式如下公式(22)和公式(23)：
[0066]
[0067] 其中， Ei(·)为指数积分函数，λAB为节点A与节点B间信道增益的均值，
[0068]
[0069] 本发明的有益效果是，本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案，利用中继转发信号干扰窃听者对本阶段保密信号的窃听，以降低窃听者的信噪比；同时对目的节点接收信号中包含的中继间干扰进行消除，降低了中继间干扰对目的节点的影响，有效提高了目的节点处的接收
质量。而且，本发明以最小化T个传输阶段内系统的平均安全中断概率为目标，给出最佳中继节点的选择方法，可最大程度抑制窃听者窃听行为。本发明相较于传统协作方案，可有效提高系统的安全中断性能。
附图说明
[0070] 图1本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法的无线传输网络的模型图；
[0071] 图2本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法中安全中断概率随发射功率变化曲线与其它方案的仿真和数值计算对比图；
[0072] 图3本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法在不同中继个数条件下系统安全中断概率随发射功率变化的仿真图；
[0073] 图4本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法在不同窃听者个数条件下系统安全中断概率随发射功率变化的仿真图。
具体实施方式
[0074] 下面结合附图和具体实施方式对本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法进行详细说明。
[0075] 本发明提供一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，
[0076] 一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，具体包括如下步骤：
[0077] 步骤1：建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN；然后进行整个传输；
[0078] 步骤2：传输包括：
[0079] 第一阶段：源节点向中继节点发送不包含保密信息的信息；
[0080] 第二阶段：从备选中继节点中选择最优的中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送第二阶段的保密信息；
[0081] 第三阶段：从备选中继节点中选择与上一阶段不相同的最优中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发上一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送本阶段的保密信息；
[0082] 第四阶段：从第四阶段-第T-1阶段，如第三阶段，不断循环往复；
[0083] 第T阶段：被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第T-1阶段的信息，通信结束。
[0084] 如图1所示，一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，首先建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN。假设所有节点都仅配备单根天线，并采用半双工模式收发信息。由于路径损耗和障碍物遮挡等因素，假设源节点S与目的节点D之间不存在直传链路，源节点的保密信息需要通过中继节点的转发才能到达目的节点。假设所有信道都是准静态
块衰落信道，即信道在一个阶段内保持不变，而在不同阶段信道的变化独立且随机。用hAB(t)表示第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数，假设它服从均值为0方差为λAB的循环对称复高斯分布。此外，假设所有接收端噪声均为独立的零均值加性高斯白噪声，功率为N0。
[0085] 整个传输过程包括：
[0086] 进一步地，步骤2中，第一阶段的具体过程如下：
[0087] 步骤2.1：源节点向中继节点发送信息，中继和窃听者接收到的信号分别为如下公式(1)和公式(2)：
[0088]
[0089]
[0090] 其中，xS(t)，(t＝1,…,T)为S在第t阶段发送的信号，PS为源节点的发射功率，nA(t)为第t阶段节点A处的加性高斯白噪声，hAB(t)为第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数。
[0091] 第二阶段的具体过程如下：
[0092] 步骤2.2.1记被选中继为Rj，中继Rj的转发信号 为如下公式(3)：
[0093]
[0094] 其中G1为放大转发因子，即 N0为噪声功率；
[0095] 步骤2.2.2：目的节点接收到的信号为如下公式(4)：
[0096]
[0097] 其中PR为中继节点的发射功率；
[0098] 步骤:2.2.3：源节点发送保密信号xS(2)，中继Rj因进行信号转发没有接收到该信号，而其余中继及所有窃听者既接收到了来自中继Rj的转发信号 又接收到了来自源节点的保密信号xS(2)，在该阶段中继与窃听者接收到的信号分别为如下公式(5)和公式(6)：
[0099]
[0100]
[0101] 进一步地，步骤2中，第三阶段的具体过程如下：
[0102] 步骤2.3.1记被选中继为Rk，中继Rk的转发信号 为如下公式(7)：
[0103]
[0104] 其中，
[0105] 步骤2.3.2：目的节点接收到的信号为如下公式(8)：
[0106]
[0107] 步骤2.3.3：使用干扰消除方法消除中继间干扰对接收信号的影响，由公式(4)可得如下公式(9)：
[0108]
[0109] 将公式(9)代入公式(8)中，并去掉信号yD(2)，得到如下公式(10)：
[0110]
[0111] 步骤2.3.4：源节点发送保密信号xS(3)，中继及窃听者接收到的信号分别为如下公式(11)和公式(12)：
[0112]
[0113]
[0114] 步骤2.3.5：根据公式(6)及公式(10)，在高信噪比的条件下，忽略信道噪声，窃听者与目的节点关于保密信号xS(2)的接收信噪比分别为如下公式(13)和公式(14)：
[0115]
[0116]
[0117] 步骤2.3.6：得到保密信号xS(2)的瞬时安全速率如下公式(15)：
[0118]
[0119] 进一步地，步骤2中，第四阶段的具体过程如下：
[0120] 步骤2.4.1记其中任意一个阶段为第k阶段，可以得到第k阶段的瞬时安全速率如下公式(16)、公式(17)和公式(18)：
[0121]
[0122] 其中：
[0123]
[0124]
[0125] 其中Rp、Rf分别表示在第k-1阶段与第k阶段选出的转发中继；
[0126] 步骤2.4.2：得到第k阶段的安全中断概率如下公式(19)：
[0127] Pout(k)＝P(CS(k)＜R) (19)，
[0128] 其中，R为系统的目标传输速率。
[0129] 进一步地，步骤2中，第T阶段的具体过程如下：
[0130] 步骤2.5.1：得到系统在T个阶段的平均安全中断概率如下公式(20)：
[0131]
[0132] 步骤2.5.2：最小化 等价于使任意阶段k的瞬时安全速率最大，并且第k阶段目的节点接收到的保密信号总是在第k-1阶段被窃听，因此在第k-1阶段的中继选择过程中需尽可能增加中继转发信号对窃听者的干扰，中继Rp的选择策略为如下公式(21)：
[0133]
[0134] 其中，b表示上一阶段由于转发信息而不能在当前阶段被选择的中继；
[0135] 步骤2.5.3：得到 的闭式表达式如下公式(22)和公式(23)：
[0136]
[0137] 其中， Ei(·)为指数积分函数，
[0138]
[0139] 下面通过具体的
实施例对本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法进行及进一步详细说明。
[0140] 实施例
[0141] 如图1所示，首先建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN。假设所有节点都仅配备单根天线，并采用半双工模式收发信息。由于路径损耗和障碍物遮挡等因素，假设源节点S与目的节点D之间不存在直传链路，源节点的保密信息需要通过中继节点的转发才能到达目的节点。假设所有信道都是准静态块衰落信道，即信道在一个阶段内保持不变，而在不同阶段信道的变化独立且随机。用hAB(t)表示第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数，假设它服从均值为0方差为λAB的循环对称复高斯分布。此外，假设所有接收端噪声均为独立的零均值加性高斯白噪声，功率为N0。
[0142] 使用蒙特卡洛仿真对本发明的方法进行100000次以上的独立仿真，测试系统的安全中断概率性能，测试条件为：噪声功率N0＝1，阶段数T＝100，PS＝PR＝P，目标安全速率R＝1bps/Hz，结果如图2、图3和图4所示。
[0143] 图2是本发明系统安全中断概率随发射功率变化曲线与传统协作方案的仿真和数值计算对比图。其中全双工中继方案采用全双工中继，中继节点在接收源节点信号的同时向目的节点进行转发；半双工中继方案采用半双工中继转发信息，并通过目的节点与源节点分别发送人工
干扰信号的方式抑制窃听者的窃听行为；在双向中继方案中，两个源节点同时向中继发送信息，双方信号在窃听者处互为干扰。由图2可以看出，本发明仿真结果与数值计算结果非常吻合，验证了安全中断概率闭式表达式的正确性。同时可以看出，全双工中继方案由于未采用人工干扰降低窃听者的信噪比，系统的中断性能最差。半双工中继方案对窃听者进行了人工干扰，使中断概率较全双工中继方案有所降低。双向中继方案相较于半双工中继方案中断性能进一步提升。而本发明一方面合理利用中继间干扰降低了窃听者的信噪比；另一方面消除了中继间干扰对于目的节点的影响，因此本发明的中断概率最低。图3是本发明在不同中继个数条件下系统安全中断概率随发射功率变化的仿真图。由图3可以看出，备选中继个数的增加会使安全中断概率降低。这是因为当备选中继数量增多时，选出的中继更易对窃听者造成较大的干扰。另外可以看出，当备选中继个数较少时，随着节点数量的增加安全中断概率获得的增益较高；而当备选中继个数持续增加时，系统获得的增益逐渐减小；当备选中继个数由8个增加到16个时系统性能几乎不变。因此在实际系统中无需一味增加备选中继数量，只需采用较少的中继即可明显提高系统性能。图4是本发明在不同窃听者个数条件下系统安全中断概率随发射功率变化的仿真图。由图4可以看出，当窃听者增多时，更易出现窃听信道较优的窃听者，使系统安全性能降低，但系统仍具有较好的安全性能。
[0144] 本发明一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法中每个阶段都会根据各节点之间的信道选出能最大程度抑制窃听者窃听行为的中继，从而大大降低了窃听者的窃听质量，提高了安全系数。
