CN102571257A - 提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法，包括步骤：引入主动的干扰节点，用于发射干扰信号来抑制窃听者偷听信号，而合法的接收者可以消除该干扰信号的影响；在第一个时隙，当合法的通信节点向中继节点发射各自的信号时，干扰节点同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听；在第二个时隙，中继节点放大转发来自通信节点和干扰节点的叠加信号，通信节点根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。本发明通过引入主动的协同干扰节点，达到了抑制窃听者并有效提高***的安全可达速率的目的。

Description

提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法。 

背景技术

在模拟网络编码双向中继传输方法的研究中，模拟网络编码双向中继窃听信道模型包含两个合法的通信节点，一个放大转发中继和一个恶意窃听者，分别用A，B，R和E表示，如图1所示。假设节点A和B之间没有直接链路，通过中继R进行模拟网络编码并放大转发完成通信；节点B附近存在一个恶意窃听者E，且E和节点A之间没有直接链路。 

根据模拟网络编码协议，节点A和B只需2个时隙即可完成信息交换。第一个时隙，节点A、B同时向中继R发送信号，而中继R对两个信号进行简单叠加操作；第二个时隙，中继R放大该叠加的组合信号并广播出去。当节点A、B收到该组合信号后，由于已知自身发射的信号，便可以通过消除自身信号提取出对方的信号。 

定义节点A、B发射的信号分别为x_a(t)和x_b(t)；节点A、B和中继R之间的信道衰减因子分别为h₁，h₂；z_i(t)是节点i处的高斯白噪声，均值为0且方差为σ_i；T是一个时隙长度。于是，***的信号传输和处理过程如下： 

第一个时隙结束后，中继R接收到的信号为： 

y_r(t)＝h₁x_a(t)+h₂x_b(t)+z_r(t)， $\∀t\∈(0,T]---\left(1\right)$

然后，R对信号y_r(t)进行放大，即 

x_r(t)＝αy_r(t-T)， $\∀t\∈(T,2T]---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{p_r}{{\left|h_1\right|}^2{p}_a+{\left|h_2\right|}^2{p}_b+{\mathrm{\σ}}_r^2}}---\left(3\right)$

其中，α为功率放大因子，P_a，P_b，P_r分别为节点A、B、R的信号发射功率。 

第二个时隙结束后，节点B接收的信号为： 

$y_b\left(t\right)=h_2{x}_r\left(t\right)+z_b\left(t\right)$

$=\mathrm{\α}{h}_1{h}_2{x}_a(t-T)+\mathrm{\α}{h}_2^2{x}_b(t-T)+\mathrm{\α}{h}_2{z}_r(t-T)+z_b\left(t\right),\∀t\∈(T,2T]---\left(4\right)$

根据ANC协议，在h₁，h₂和α已知的条件下，节点B可以从(4)中消除掉信号x_b(t)，提取出信号y′_b(t)。该信号包含节点A的信号和一部分噪声。过程如下： 

y′_b(t)＝y_b(t)-αh₂ ²x_b(t-T) 

           ＝αh₁h₂x_a(t-T)+αh₂z_r(t-T)+z_b(t) $\∀t\∈(T,2T]---\left(5\right)$

类似的，节点A也可以提取出信号y′_a(t)。因此，在两个时隙后，节点A、B完成了信息的交换。而节点A、B的等效接收信噪比SNR分别为： 

${\mathrm{SNR}}_a=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_b}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_a^2}$ ${\mathrm{SNR}}_b=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_a}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_2\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_b^2}---\left(6\right)$

但是，由于无线信号的广播特性，节点B附近的非法窃听者E，可以偷听到两个时隙内B接收到的两个信号，如图1。定义窃听者E和节点B、中继R之间的信道衰减因子分别为h₃，h₄。那么，第一个时隙结束后，E偷听到的来自节点B的信号为： 

y_BE(t)＝h₃x_b(t)+z_e(t)， $\∀t\∈(0,T]---\left(7\right)$

第二个时隙后，E偷听到的来自中继R的信号为： 

y_RE(t)＝h₄x_r(t)+z_e(t) $\∀t\∈(T,2T]---\left(8\right)$

          ＝αh₁h₄x_a(t-T)+αh₂h₄x_b(t-T)+αh₄z_r(t-T)+z_e(t) 

由于E已经偷听到节点B的信号，如果假设E已知ANC编码方案，则在h₃，h₄和α已知的条件下，E可以对(7)式乘以系数 

再从(8)式中减去这一部分，也可以提取出信号y_RE′(t)，该信号包含节点A的信号和许多噪声。过程如下： 

y_RE′(t)＝y_RE(t)-ky_BE(t-T) 

            ＝αh₁h₄x_a(t-T)+αh₄z_r(t-T)+z_e(t)-kz_e(t-T) $\∀t\∈(T,2T]---\left(9\right)$

因此，在两个时隙后，窃听者E可以成功窃取节点A和B交换的信息。这两个时隙，窃听者E的等效接收信噪比SNR分别为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BE}}=\frac{{\left|h_3\right|}^2{p}_b}{{\mathrm{\σ}}_e^2}$ ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{RE}}=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_4\right|}^2{p}_a}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_4\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_e^2+k^2{\mathrm{\σ}}_e^2}---\left(10\right)$

窃听信道安全可达速率的讨论是基于信息论的观点，利用无线信道的衰落或噪声特性，达到无线传输的安全。讨论的目标是如何不依赖于密钥建立一种安全的通信链路，使恶意的窃听者只能获得0信息。该领域研究的先行者Wyner教授证明，当主信道的条件优于窃听信道时，源-目的节点之间可以在非0的安全可达速率之下安全的交换信息。因此称，信息能够安全的从源发送到目的节点的可达速率为安全可达速率，而安全可达速率的上界称为安全容量。如下式： 

R_s＝max{R_d-R_e}                            (11) 

其中，R_d是源-目的信道的可达速率，R_e是源-窃听信道的可达速率，R_s是安全容量，而R_d-R_e即安全可达速率。 

在所研究的***模型中，源-目的信道为双向中继信道(TWRC)，其完成信息交换用了2个时隙，因此其信道总可达速率表示为： 

$R_d=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_a)+\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_b)---\left(12\right)$

其中，SNR_a和SNR_b如(6)式所示。 

而源-窃听信道为多输入信道(MAC)，其完成信息获取也用了2个时隙，因此其信道总可达速率表示为： 

$R_e=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{BE}}+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{RE}})---\left(13\right)$

其中，SNR_BE和SNR_RE如(10)式所示。 

通过对模拟网络编码双向中继窃听信道的安全可达速率R_d-R_e的分析，发现当窃听者位于一定距离内时，安全可达速率将下降为0，即***无法安全的进行传输。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明的目的是为了抑制窃听，提高安全可达速率，提供一种主动干扰的方法来抑制窃听，即协同干扰，来提高模拟网络编码双向中继信道的安全可达速率的传输方法。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法，包括步骤： 

引入主动的干扰节点，用于发射干扰信号来抑制窃听者偷听信号，而合法的接收者可以消除该干扰信号的影响； 

在第一个时隙，当合法的通信节点向中继节点发射各自的信号时，干扰节点同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听； 

在第二个时隙，中继节点放大转发来自通信节点和干扰节点的叠加信号，通信节点根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。 

优选地，应用于包含两个合法的通信节点A，B和一个放大转发中继R的信道，包括步骤： 

引入一个主动的干扰节点J； 

在第一个时隙，当节点A、B向中继R发射各自的信号时，干扰节点J同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听； 

在第二个时隙，中继R放大转发节点A、B和干扰节点J的叠加信号，节点A、B根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。 

优选地，所述干扰节点J位于节点A、B之间。 

优选地，所述节点A、B和中继R位于同一直线上，且A、B之间的距离归一化为1；所述干扰节点J的位置位于节点A、B之间。 

(三)有益效果 

本发明通过引入主动的协同干扰节点，可以有效降低窃听信道的可达速率，并显著提高***的安全可达速率，是一种有效的抑制窃听的安全传输方法，达到了抑制窃听者并有效提高***的安全可达速率的目的。 

附图说明

图1为模拟网络编码双向中继窃听信道模型； 

图2为本发明方法的流程图； 

图3为本发明协同干扰方案一实施例的示意图； 

图4为本发明协同干扰方案一实施例的一维仿真模型； 

图5为本发明一实施例中***的安全可达速率R_d-R_e随着干扰信号发射功率p_j的增加而变化的效果图； 

图6为本发明一实施例中主、窃听信道的可达速率R_d、R_e随着干扰信号发射功率p_j的增加而变化的效果图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。 

如图2所示，本发明所述的提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法，包括步骤：S1：引入主动的干扰节点，用于发射干扰信号来抑制窃听者偷听信号，而合法的接收者可以消除该干扰信号的影响；S2：在第一个时隙，当合法的通信节点向中继节点发射各自的信号时，干扰节点同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听；S3：在第二个时隙，中继节点放大转发来自通信节点和干扰节点的叠加信号，通信节点根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。 

在本发明一实施例中，模拟网络编码双向中继窃听信道模型包含 两个合法的通信节点、一个放大转发中继和一个恶意窃听者，分别用A，B，R和E表示。干扰节点J位于节点A、B之间的某个位置，如图3所示。 

第一个时隙，当节点A、B向中继R发射各自的信号时，干扰节点J同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听。因此，窃听者E在偷听节点B的信号时将受到干扰，由于干扰信号被当作噪声处理，将导致可达速率减小。 

第二个时隙，中继R放大转发节点A、B和干扰J的叠加信号。由于节点A、B已知自身的信号并已于第一个时隙接收到干扰信号，因此可消除掉这两部分信号从而获得对方的信号。而窃听者同样也试图通过消除掉节点B和干扰J的叠加信号来获取节点A的信号，但是由于信道衰减因子的影响，窃听者无法完全消除掉干扰信号，因此可达速率仍将减小。 

定义干扰节点J广播的干扰信号为x_j(t)，节点A、B、R、E和J之间的信道衰减因子分别为g₁，g₂，g₃，g₄。因此，引入协同干扰后，***的信号传输和处理过程如下： 

第一个时隙结束后，节点A、B分别接收到干扰信号，表示为： 

$y_{a1}\left(t\right)=g_1{x}_j\left(t\right)+z_a\left(t\right),\∀t\∈(0,T]---\left(14\right)$

$y_{b1}\left(t\right)=g_2{x}_j\left(t\right)+z_b\left(t\right),\∀t\∈(0,T]---\left(15\right)$

中继R则接收到节点A、B和干扰J的叠加信号，表示为： 

$y_r\left(t\right)=h_1{x}_a\left(t\right)+h_2{x}_b\left(t\right)+g_3{x}_j\left(t\right)+z_r\left(t\right),\∀t\∈(0,T]---\left(16\right)$

而窃听者E也接收到节点B和干扰J的叠加信号，表示为： 

$y_{e1}\left(t\right)=h_3{x}_b\left(t\right)+g_4{x}_j\left(t\right)+z_e\left(t\right),\∀t\∈(0,T]---\left(17\right)$

然后，R对信号y_r(t)进行放大，即 

$x_r\left(t\right)={\mathrm{\αy}}_r(t-T),\∀t\∈(T,2T]---\left(18\right)$

$\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{p_r}{{\left|h_1\right|}^2{p}_a+{\left|h_2\right|}^2{p}_b+{\left|g_3\right|}^2{p}_j+{\mathrm{\σ}}_r^2}}---\left(19\right)$

其中，α为功率放大因子，p_j为干扰节点J的信号发射功率。 

第二个时隙结束后，节点A、B和窃听者E分别接收到放大的组合信号。其中，节点A接收的信号表示为： 

$y_{a2}\left(t\right)=h_1{x}_r\left(t\right)+z_a\left(t\right)$

$={\mathrm{\αh}}_1^2{x}_a(t-T)+{\mathrm{\αh}}_1{h}_2{x}_b(t-T)+{\mathrm{\αh}}_1{g}_3{x}_j(t-T)+{\mathrm{\αh}}_1{z}_r(t-T)+z_a\left(t\right),\∀t\∈(T,2T]---\left(20\right)$

节点B接收的信号表示为： 

$y_{b2}\left(t\right)=h_2{x}_r\left(t\right)+z_b\left(t\right)$

$={\mathrm{\αh}}_1{h}_2{x}_a(t-T)+{\mathrm{\αh}}_2^2{x}_b(t-T)+{\mathrm{\αh}}_2{g}_3{x}_j(t-T)+{\mathrm{\αh}}_2{z}_r(t-T)+z_b\left(t\right),\∀t\∈(T,2T]---\left(21\right)$

窃听者E接收的信号表示为： 

$y_{e2}\left(t\right)=h_4{x}_r\left(t\right)+z_e\left(t\right)$

$={\mathrm{\αh}}_1{h}_4{x}_a(t-T)+{\mathrm{\αh}}_2{h}_4{x}_b(t-T)+{\mathrm{\αh}}_4{g}_3{x}_j(t-T)+{\mathrm{\αh}}_4{z}_r(t-T)+z_e\left(t\right),\∀t\∈(T,2T]---\left(22\right)$

然后，在已知信道衰减因子和功率放大因子的条件下，节点A可以消除自身信号x_a(t)和干扰信号x_j(t)，而提取出节点B的信号。其中，x_j(t)需通过(14)式乘以系数 

才能得到。过程表示如下： 

y′_a(t)＝y_a2(t)-αh₁ ²x_a(t-T)-ly_a1(t-T) 

           ＝αh₁h₂x_b(t-T)+αh₁z_r(t-T)+z_a(t)-lz_a(t-T) $\∀t\∈(T,2T]---\left(23\right)$

类似的，节点B消除自身信号x_b(t)和干扰信号x_j(t)，也可以提取出节点A的信号。其中，x_j(t)需通过(15)式乘以系数 

得到。过程表示如下： 

y′_b(t)＝y_b2(t)-αh₂ ²x_b(t-T)-my_b1(t-T) 

           ＝αh₁h₂x_a(t-T)+αh₂z_r(t-T)+z_b(t)-mz_b(t-T) $\∀t\∈(T,2T]---\left(24\right)$

于是，两个时隙后，节点A、B可以成功交换信息，而等效接收信噪比分别表示为： 

${\mathrm{SNR}}_a^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_b}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_a^2+l^2{\mathrm{\σ}}_a^2}$ ${\mathrm{SNR}}_b^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_2\right|}^2{p}_a}{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_2\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_b^2+m^2{\mathrm{\σ}}_b^2}---\left(25\right)$

对于窃听者E，由于第一个时隙接收到节点B和J的叠加信号如(17)所示，通过乘以系数 

消除掉该叠加信号，理论上也可以 提取出节点A的信号。过程表示为： 

y′_e(t)＝y_e2(t)-ny_e1(t-T) 

           ＝αh₁h₄x_a(t-T)+(αh₄g₃-ng₄)x_j(t-T)+αh₄z_r(t-T)+z_e(t)-nz_e(t-T) $\∀t\∈(T,2T]---\left(26\right)$

观察上式发现，干扰信号x_j(t)未能完全消除。因此，在两个时隙后，窃听者E虽然理论上可以成功窃取节点A和B交换的信息，但都受到了干扰信号的影响。这两个时隙，窃听者E的等效接收信噪比SNR分别为： 

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{el}}=\frac{{\left|h_3\right|}^2{p}_b}{{\left|g_4\right|}^2{p}_j+{\mathrm{\σ}}_b^2}$ ${\mathrm{SNR}}_{e2}=\frac{{\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_4\right|}^2{p}_a}{{(\mathrm{\α}{h}_4{g}_3-{\mathrm{ng}}_4)}^2{p}_j+{\mathrm{\α}}^2{\left|h_4\right|}^2{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_e^2+n^2{\mathrm{\σ}}_e^2}---\left(27\right)$

因此，由(12)(13)(25)(27)可得，主信道和窃听信道可达速率分别为 

$R_d=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_a^{\′})+\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_b^{\′})$ $R_e=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{el}}+{\mathrm{SNR}}_{e2})---\left(28\right)$

***的安全可达速率则表示为： 

$R_d-R_e=\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_a^{\′})+\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_b^{\′})-\frac{1}{2}\log (1+{\mathrm{SNR}}_{\mathrm{el}}+{\mathrm{SNR}}_{e2})---\left(29\right)$

本方案引入协同干扰的目的主要是抑制窃听，增大***的安全可达速率。对比(10)(27)发现，窃听信道由于受到干扰信号的影响，可达速率必然减小，但对比(6)(25)发现，主信道受节点噪声累积的影响，可达速率也会减小。因此，本发明是否有效，还要评估***的安全可达速率是否最终得到提高，且对主信道的负效应是否可以接受。 

为了讨论方便，假设窃听者E，节点A、B和中继R位于同一直线上，且A、B之间的距离归一化为1。并且根据对模拟网络编码双向中继最优功率分配的研究，中继R的位置处于节点A、B中间时，主信道的可达速率最大。另根据对窃听者位置的分析，窃听者E与节点B距离约0.1时，安全可达速率接近于0。因此各节点的位置分布如图4所示，其中干扰节点J的位置为了计算方便假设位于节点A、B中间，且距中继0.3。 

另外，本方案是基于传输总功率受限的，所以假设节点A、B、中继R和干扰J的发射总功率之和为p_a+p_b+p_r+p_j＝1watt。因此，通过数值仿真，得到了安全可达速率R_d-R_e，以及可达速率R_d，R_e随着干扰信号发射功率p_j的增加而变化的效果图。 

如图5所示，与之前未引入协同干扰的方案(安全可达速率接近于0)相比，引入协同干扰后，除了一些无意义的极端情况，***的安全可达速率在多数情况下有了大幅的提高，其中最大值R_d-R_e≈2.7出现在p_j＝0.21处。如图6所示，主、窃听信道的可达速率R_d和R_e随着干扰信号功率p_j的增加，都减小了。其中，多数情况下窃听信道的可达速率R_e减小幅度更大。 

综上所述，本发明实现了***安全可达速率从无到有的质的提高，且提高幅度明显。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种提高模拟网络编码双向中继信道安全可达速率的传输方法，其特征在于，包括步骤：

引入主动的干扰节点，用于发射干扰信号来抑制窃听者偷听信号，而合法的接收者可以消除该干扰信号的影响；

在第一个时隙，当合法的通信节点向中继节点发射各自的信号时，干扰节点同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听；

在第二个时隙，中继节点放大转发来自通信节点和干扰节点的叠加信号，通信节点根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，应用于包含两个合法的通信节点A，B和一个放大转发中继R的信道，包括步骤：

引入一个主动的干扰节点J；

在第一个时隙，当节点A、B向中继R发射各自的信号时，干扰节点J同时广播干扰信号，干扰非法接收节点的窃听；

在第二个时隙，中继R放大转发节点A、B和干扰节点J的叠加信号，节点A、B根据已知的自身的信号和已于第一个时隙接收到的干扰信号消除掉这两部分信号从而获得对方的信号，窃听者则无法完全消除掉干扰信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述干扰节点J位于节点A、B之间。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述节点A、B和中继R位于同一直线上，且A、B之间的距离归一化为1；所述干扰节点J的位置位于节点A、B之间。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在已知信道衰减因子和功率放大因子的条件下，节点A可以消除自身信号和干扰信号，而提取出节点B的信号；节点B也可以消除自身信号和干扰信号，而提取出节点A的信号。

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