CN103475441A - 无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括：第一传输阶段：所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；第二传输阶段：所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。通过采用本发明所提供的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，可以选取最优的中继节点协作传输信息，并可以选取最优的干扰节点干扰窃听者，从而在一定发送功率下使得传输过程中的安全信息速率最大化，提高了整个网络的安全性能。

Description

无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，特别涉及无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法。

背景技术

无线多跳网络已经成为时下无线网络通信技术中一个研究的热点，随着无线多跳网络的不断发展，其应用范围也越来越广。最近的研究成果表明，在无线多跳网络中利用中继节点进行协作传输可以有效改善通信质量、提供无线多跳网络的性能。然而，利用中继节点进行协作传输可能会带来通信的安全问题，例如，发送簇簇内、接收簇簇内或簇间的节点中可能存在窃听者对无线多跳网络传输的信息进行窃听。

现有的保证无线多跳网络通信安全的方案通常都是与其他技术相结合的，例如，通过上层的加密技术来提高数据传输的安全性，这样往往使得整个方案较为复杂，而且，现有技术中鲜有方案能够解决无线多跳网络中利用中继节点协作传输带来的安全问题，尤其地，现有技术中尚无用于在无线多跳网络中利用协作传输干扰窃听者的方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是无线多跳网络中基于簇的协作传输中的信息安全问题。

(二)技术方案

为此目的，本发明提出了一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括:第一传输阶段:所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；第二传输阶段:所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。

在上述方法中，所述第一组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点；所述第二组干扰节点包括:对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。

优选地，在所述第二传输阶段中，所述中继节点采用解码转发的方式将所述信息发送至所述接收簇簇头，并且所述中继节点的信息速率不小于所述接收簇簇头的信息速率。

优选地，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点向所述窃听者发送预设的干扰信号。

优选地，在所述第一传输阶段前将所述预设的干扰信号告知所述中继节点和所述接收簇簇头以便所述中继节点和所述接收簇簇头在所述第一传输阶段和第二传输阶段中消除所述干扰信号的影响。

优选地，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括:使所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点定向向所述窃听者发送干扰信号。

优选地，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤包括:列出所有能作为所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的节点组合；基于所列出的每一组节点组合，在一定发送功率下，计算所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率；选择使所述第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为所述选定的第一组干扰节点，选择使所述第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为所述选定的第二组干扰节点，选择使所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为所述选定的中继节点。

优选地，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。

优选地，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤还包括:获取所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的功率分配权值。

(三)有益效果

本发明所提供的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法能够选取最优的中继节点及第一和第二组干扰节点，使得传输过程中的安全信息速率最大化。本发明填补了现有技术中尚无在无线多跳网络中利用中继节点协作传输来干扰窃听者的技术方案的空白，同时使得在无线多跳网络中利用中继节点协作传输时，不再需要结合加密技术等其他技术即可保障信息传输的安全性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的示意图；

图2是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的流程图；

图3A是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第一传输阶段的示意图；

图3B是根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第二传输阶段的示意图；

图4是根据本发明实施例的中继节点和各干扰节点选取流程图；

图5是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率与发送功率的仿真对比图；

图6是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率与候选节点的仿真对比图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的示意图。如图1所示，S、D分别为源节点和目的节点，两者相距较远，需要通过中间节点协助进行通信，这些中间节点形成中继节点，由同一簇内的节点将信息传输至下一个簇，以此通过中继簇将信息由源节点S传输至目的节点D。在发送簇簇内、接收簇簇内和发送簇与接收簇的簇间存在窃听者对传输过程进行窃听，为了保证通信过程的安全性，通过对窃听者发送干扰信号以抑制其窃听。由于每一组发送簇和接收簇间的数据传输过程是相似的，因此可以通过一组发送簇和接收簇的数据传输过程来描述该方法。

图2示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的流程图。如图2所示，该传输方法可以包括:

第一传输阶段:发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；

第二传输阶段:所述中继节点优选地以DF(Decode-and-Forward，解码转发)的方式将信息发送至接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对窃听者进行干扰。

图3A和3B分别示出了根据本发明实施例的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法的第一和第二传输阶段的示意图。

如图3A所示，在第一传输阶段中，发送簇簇头将信息发送至中继节点，在这一过程中，发送簇簇内窃听者和簇间窃听者(可以忽略接收簇簇内窃听者的影响)会对信息进行窃听，需要选择第一组干扰节点来对上述窃听者进行干扰。对于发送簇簇内窃听者，可以在发送簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于簇间窃听者，可以在发送簇和接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰。即第一组干扰节点包括对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。

如图3B所示，在第二传输阶段中，中继节点将信息发送至接收簇簇头，在这一过程中，发送簇簇内窃听者、簇间窃听者和接收簇簇内窃听者都会对信息进行窃听，需要选择第二组干扰节点来对上述窃听者进行干扰。对于发送簇簇内窃听者，可以在发送簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于接收簇簇内窃听者，可以在接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰，对于簇间窃听者，可以在发送簇或接收簇簇内选择合适的干扰节点对其进行干扰。即第二组干扰节点包括对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。

为了保证传输过程的安全性，需要在发送簇内选择最优的中继节点，同时针对各窃听者在发送簇或接收簇内选取最优的干扰节点对窃听者进行相应的干扰。在下文中，将会详细描述中继节点与干扰节点的选取方法。

图4示出了根据本实施例的中继节点和各干扰节点选取流程图。如图4所示，第一传输阶段和第二传输阶段中的中继节点和各干扰节点的选取方法如下:

S41:列出所有可作为中继节点、第一组干扰节点和第二组干扰节点的节点组合；

S42:基于所列出的每一组节点组合，计算第一传输阶段的安全信息速率和第二传输阶段的安全信息速率；

S43:选择使第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为最优的第一组干扰节点，选择使第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为最优的第二组干扰节点，选择使第一传输阶段的安全信息速率和第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为最优的中继节点。其中，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。

在根据本实施例的传输方法中，设定整个传输过程的总功率，在选择中继节点以及第一和第二组干扰节点的同时，获得中继节点以及第一和第二组干扰节点的功率分配权值。之后，中继节点以及第一和第二组干扰节点根据其功率分配权值进行相应传输。具体而言，可以设定整个传输阶段的总发送功率为P₀，第一传输阶段中各节点的总发送功率为P⁽¹⁾，第二传输阶段中各节点的总发送功率为P⁽²⁾，其中，P⁽¹⁾+P⁽²⁾=P₀。

1)第一传输阶段:

可以设定发送簇簇头的发送功率为P_HT；可以设定所有发送簇簇内干扰节点的发送功率之和为

并用

表示发送簇簇内干扰节点集合的权值分配向量；可以设定所有簇间干扰节点的发送功率之和为

并用

表示簇间干扰节点集合的权值分配向量；可以设定位于发送簇簇内的簇间干扰节点的发送功率之和为

并用

表示该节点集合的权值分配向量。其中，

为共轭转置算子，各节点的发送功率之和为第一传输阶段的总发送功率，即:

以表示发送簇簇头发送的信息，

表示预设的干扰信号。

中继节点接收到的信号为:

其中，n_R为中继节点接收到的噪声，n_R服从高斯分布CN～(0,σ²)，h_HTR表示发送簇簇头H_T与中继节点的信道增益，

和

分别表示发送簇簇内干扰节点集合和簇间干扰节点与中继节点的信道增益向量。

需要说明的是，可以在第一传输阶段前，预先将预设的干扰信号告知中继节点和接收簇簇头，以便中继节点和接收簇簇头可以在第一和第二传输阶段中消除干扰信号的影响；或者，还可以通过无线定向传输技术，使第一和第二组干扰节点定向地向对应的窃听者发送干扰信号，从而直接避免干扰信号对中继节点的影响。因此，根据香农公式，可以得到中继节点的最大信息速率为;

$R_R=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\mathrm{\γR})=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{HT}}{\left|h_{\mathrm{HTR}}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，γ_R是中继节点处的信噪比。

发送簇簇内的第

个窃听者接收到的信号为:

其中，

表示该窃听者的加性高斯白噪声且服从高斯分布CN～(0,σ²)，

表示发送簇簇头H_T与该窃听者的信道增益，表示

干扰该窃听者的发送簇簇内干扰节点与该窃听者的信道增益向量，

表示干扰该窃听者的发送簇簇内干扰节点的功率分配权值。

可以得到发送簇簇内的第

个窃听者的最大信息速率为:

其中，

是该窃听者处的信噪比。

第ε个簇间窃听者接收到的信号为:

其中，

表示该窃听者处的加性高斯白噪声且服从高斯分布CN～(0,σ²)，h_HTer[ε]和

分别表示发送簇簇头H_T与该窃听者的信道增益和干扰该窃听者的簇间干扰节点与该窃听者的信道增益，

表示干扰该窃听者的簇间干扰节点的功率分配权值。

可以得到第ε个簇间窃听者的最大信息速率为:

$R_{\mathrm{er}}^{\left(1\right)}\[\mathrm{\ϵ}\]=\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{er}}^{\left(1\right)}\[\mathrm{\ϵ}\])=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{HT}}{|h_{\mathrm{HTer}}\[\mathrm{\ϵ}\]|}^2}{P_{\mathrm{jr}}^{\left(1\right)}{|W_{\mathrm{jr}}^{\left(1\right)}\[\mathrm{\ϵ}\]h_{\mathrm{jrer}}^{\left(1\right)}\[\mathrm{\ϵ}\]|}^2+{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，

是该簇间窃听者处的信噪比。

2)第二传输阶段:

为了改善整个传输网络的性能，中继节点在接收到发送簇簇头H_T发送的信息后，优选地将信息以解码转发的方式将中继节点所接收的信息发送至接收簇簇头。为了使中继节点能够正确解码，需要中继节点的信息速率不小于接收簇簇头H_R的信息速率，即:

P_HT|h_HTR|²≥P_R|h_RHR|²

可以设定中继节点的发送功率为P_R;可以设定所有发送簇簇内干扰节点的发送功率之和为并用

表示发送簇簇内干扰节点集合的权值分配向量；可以设定所有接收簇簇内干扰节点的发送功率之和为并用表示接收簇簇内干扰节点集合的权值分配向量;可以设定所有簇间干扰节点的发送功率之和为

并用

表示簇间干扰节点集合的权值分配向量；可以设定位于接收簇簇内的簇间干扰节点的发送功率之和为

并用

表示该节点集合的权值分配向量。其中，

为共轭转置算子，各节点的发送功率之和为第二传输阶段的总发送功率，即: $P_R+P_{\mathrm{ja}}^{T\left(2\right)}+P_{\mathrm{ja}}^{R\left(2\right)}+P_{\mathrm{jr}}^{\left(2\right)}=P^{\left(2\right)}.$

在第二传输阶段中，接收簇簇头H_R处接收到的信号为;

其中，P_R是中继节点的发送功率，n_HR表示接收簇簇头处的加性高斯白噪声服从高斯分布CN～(0,σ²)，h_RHR表示中继节点与接收簇簇头H_R的信道增益，

和

分别表示接收簇簇内干扰节点集合与接收簇簇头H_R和簇间干扰节点集合与接收簇簇头H_R的信道增益向量。

由于在第一传输阶段前，已经预先将预设的干扰信号告知给中继节点和接收簇簇头，或者已经通过无线定向传输技术使第一和第二组干扰节点定向地向对应的窃听者发送干扰信号，从而消除了干扰信号对接收簇簇头H_R的影响。因此，接收簇簇头H_R的最大信息速率为:

$R_{\mathrm{HR}}=\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{HR}})=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{R_H{\left|h_{\mathrm{RHR}}\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，γ_HR是接收簇簇头H_R处的信噪比。

发送簇簇内的第ι个窃听者处接收到的信号为:

其中，

是发送簇簇内第ι个窃听者处的加性高斯白噪声且服从高斯分布CN～(0,σ²)，

和分别表示中继节点与该窃听者信道增益、干扰该窃听者的发送簇簇内干扰节点与该窃听者的信道增益，表示干扰该窃听者的发送簇簇内干扰节点的功率分配权值。

发送簇簇内第ι个窃听者处的最大信息速率为:

$R_{\mathrm{ea}}^{T\left(2\right)}\[\mathrm{\ι}\]=\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ea}}^{T\left(2\right)}\[\mathrm{\ι}\])=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_R{|h_{\mathrm{Rea}}^T\[\mathrm{\ι}\]|}^2}{P_{\mathrm{ja}}^{T\left(2\right)}{|w_{\mathrm{ja}}^{T\left(2\right)}\[\mathrm{\ι}\]h_{\mathrm{jaea}}^{T\left(2\right)}\[\mathrm{\ι}\]|}^2+{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，

是该窃听者处的信噪比。

接收簇簇内第υ个窃听者接收到的信号为:

其中，

表示在接收簇簇内第υ个窃听者处的加性高斯白噪声且服从高斯分布CN～(0,σ²)，

分别表示中继节点与该窃听者的信道增益、干扰该窃听者的接收簇簇内干扰节点与第υ个窃听者的信道增益，表示干扰该窃听者的接收簇簇内干扰节点的功率分配权值。

接收簇簇内第υ个窃听者处的最大信息速率为;

$R_{\mathrm{ea}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\υ}\]=\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ea}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\υ}\])=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_R{|h_{\mathrm{Rea}}^R\[\mathrm{\υ}\]|}^2}{P_{\mathrm{ja}}^{R\left(2\right)}{|w_{\mathrm{ja}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\υ}\]h_{\mathrm{jaea}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\υ}\]|}^2+{\mathrm{\σ}}^2})$

其中，

是该窃听者处的信噪比。

第κ个簇间窃听者接收到的信号为:

其中，

表示第κ个簇间窃听者处的加性高斯白噪声且服从高斯分布CN～(0,σ²)，h_Rer[κ]和

分别表示中继节点与该窃听者的信道增益、干扰该窃听者的簇间干扰节点与该窃听者的信道增益，

表示干扰该窃听者的簇间干扰节点的功率分配权值。

在第κ个簇间窃听者处的最大信息速率为:

$R_{\mathrm{ea}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\κ}\]=\frac{1}{2}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ea}}^{\left(2\right)}\[\mathrm{\κ}\])=\frac{P_R{|h_{\mathrm{Rea}}\[\mathrm{\κ}\]|}^2}{P_{\mathrm{ja}}^{\left(2\right)}{|w_{\mathrm{ja}}^{\left(2\right)}\[\mathrm{\κ}\]h_{\mathrm{jaea}}^{\left(2\right)}\[\mathrm{\κ}\]|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}$

其中，

为该窃听者处的信噪比。

以上对本发明第一传输阶段和第二传输阶段中各节点和窃听者所接收到的信号以及最大信息速率进行了详细描述。通过上述描述，可以得到第一传输阶段和第二传输阶段的安全信息速率分别为:

$R_S^{\left(2\right)}={\[R_{\mathrm{HR}}-\underset{\mathrm{\κ},\mathrm{\ι},\mathrm{\υ}}{\max }\{R_{\mathrm{er}}^{\left(2\right)}\[\mathrm{\κ}\],R_{\mathrm{ea}}^{T\left(2\right)}\[\mathrm{\ι}\],R_{\mathrm{ea}}^{R\left(2\right)}\[\mathrm{\υ}\]\}\]}^{+}$

即，第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中中继节点的最大信息速率与发送簇簇内窃听者和簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差；第二传输阶段的安全信息速率为第二传输阶段中接收簇簇头的最大信息速率与发送簇簇内窃听者、簇间窃听者和接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。其中，[x]⁺=max{0,x}，

为发送簇内窃听者的数量，

为簇间窃听者的数量，

为接收簇内窃听者的数量，

和

分别表示第一传输阶段中各发送簇簇内窃听者和各簇间窃听者的最大信息速率，

和

分别表示第二传输阶段中各簇间窃听者、各发送簇簇内窃听者和各接收簇簇内窃听者的最大信息速率。

完整传输过程的安全信息速率由

和

中的值较小的安全信息速率决定，因此，完整传输过程的安全信息速率为:

$R_S=\min \{R_S^{\left(1\right)},R_S^{\left(2\right)}\}$

为了保证不同服务质量(QoS)对通信安全的要求，可以对不同的服务定义对应的安全信息速率等级，例如，可以定义共L个等级，其中，Tl表示对应于第l个安全信息速率等级所对应的固定安全信息速率，并且固定安全信息速率随着安全信息速率等级升高而增大，其中1≤l≤L。

为了刻画整个***的安全性能，我们利用安全中断概率作为评估标准，其定义为P{R_S<T_l}，即当R_S小于T_l时，判定当前传输不满足第l个安全信息速率等级的要求，即认为当前传输处于不安全的状态。

我们的目标是在一定发送功率下选择最优的中继和干扰节点，使得整个***的安全中断概率最小，即优化问题为：

其中，

表示概率，R^*表示选择的最优中继节点，,

表示选择的最优干扰节点集合。为了能够改善基于簇的无线多跳网络中信息传输的安全性，需要使得完整传输过程的安全中断概率最小。由于考虑的是统计概率，因此可以将最小化安全中断概率问题转化为最大化安全信息速率R_S问题。因此，可以在传输前列出所有中继节点和第一、第二组干扰节点的节点组合，计算每一节点组合所对应的

和并选择使

最大的节点组合中的第一组干扰节点作为最优的第一组干扰节点，选择使

最大的节点组合中的第二组干扰节点作为最优的第二组干扰节点，选择使R_S最大的节点组合中的中继节点作为最优的中继节点。具体地，可以通过下述公式来选择最优的中继节点和干扰节点:

$P^{*}=\arg \max \min \{R_S^{\left(1\right)},R_S^{\left(2\right)}\}$

$=\arg \max \min \{\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{HR}}}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{er}}^{\left(2\right)}\&lsqb;\mathrm{\&kappa;}\&rsqb;},\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{HR}}}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ea}}^{T\left(2\right)}\&lsqb;\mathrm{\&iota;}\&rsqb;},\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{HR}}}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{ea}}^{R\left(2\right)}\&lsqb;\mathrm{\&upsi;}\&rsqb;}\}$

其中，R^*为中继节点，和分别为第一传输阶段中发送簇簇内干扰节点集合和簇间干扰节点集合，

和

分别为第二传输阶段中发送簇簇内干扰节点集合、接收簇簇内干扰节点集合和簇间干扰节点集合。

已证明上述优化问题为凸优化问题，现有技术中已经存在许多凸优化方法来解决这一类问题，例如梯度法、内点法等，这里不再详细描述。

当信噪比远大于1时，可进一步得到如下公式:

其中，表示第一组节点组合中干扰第ε个簇间窃听者的簇间干扰节点，

表示第一组节点组合中干扰发送簇簇内第

个窃听者的发送簇簇内干扰节点；

表示第二组节点组合中干扰第κ个簇间窃听者的簇间干扰节点，

表示第二组节点组合中干扰发送簇簇内第ι个窃听者的发送簇簇内干扰节点，

表示第二组节点组合中干扰接收簇簇内第υ个窃听者的接收簇簇内干扰节点。

如上所述，根据本实施例得到了最优的发送簇中继节点、第一组干扰节点和第二组干扰节点。

下面分别对基于本发明所提供的方法(CB-ORJ)、无干扰传统中继选择(CS-NJ)方案以及无干扰优化中继选择(OS-NJ)方案的无线多跳网络的安全性能进行对比。

图5是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率与发送功率的仿真对比图。仿真环境中，发送簇簇头、

接收簇簇头以及窃听者的位置固定，而簇内候选节点随机分布(每个簇内的候选节点为6个)。在图5所示的仿真结果中，对比了三种方案的安全中断概率与发送簇簇头的发送功率P_HT的关系，在仿真过程中，设定整个传输过程的总发送功率P₀＝80dBW，且发送簇簇头HT的发送功率P_HT与中继节点的发送功率P_R相等。如图5所示，本发明所提供的方法(CB-ORJ)中，安全中断概率随P_HT的增加呈明显下降趋势，而CS-NJ和OS-NJ策略的安全中断概率则在略微下降后即接近饱和。

图6是根据本发明实施例的传输方法与现有技术中的传输方法的安全中断概率与候选节点的仿真对比图。仿真环境中，发送簇簇头、接收簇簇头以及窃听者的位置固定，簇内候选节点随机分布。在仿真过程中，设定整个传输过程的总发送功率P₀＝80dBW，P_HT＝16dBW，P_R＝P_HT。如图6所示，随着簇内候选节点个数增加，三种方案的安全中断概率均降低。相比于其他两种方案，本发明所提供的方法(CB-ORJ)中安全中断概率下降非常明显。对于CS-NJ和OS-NJ，由于方案本身的限制，使得安全中断概率降低程度较小，当簇内候选节点个数增加到一定值时，这两种方案的安全中断概率不再有明显变化。

通过以上描述可知，通过采用本发明所提供的无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，可以选取最优的中继节点协作传输信息，并可以选取最优的干扰节点干扰窃听者，从而在一定发送功率下使得传输过程中的安全信息速率最大化，提高了整个网络的安全性能。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种无线多跳网络中基于簇的协作干扰传输方法，包括：

第一传输阶段：所述无线多跳网络中的发送簇簇头将信息发送至发送簇簇内选定的中继节点，并由选定的第一组干扰节点对窃听者进行干扰；

第二传输阶段：所述中继节点将所述信息发送至所述无线多跳网络中的接收簇簇头，并由选定的第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点包括：对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组干扰节点包括：对发送簇簇内窃听者进行干扰的发送簇簇内干扰节点、对接收簇簇内窃听者进行干扰的接收簇簇内干扰节点和对簇间窃听者进行干扰的簇间干扰节点。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二传输阶段中，所述中继节点采用解码转发的方式将所述信息发送至所述接收簇簇头，并且所述中继节点的信息速率不小于所述接收簇簇头的信息速率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括：所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点向所述窃听者发送预设的干扰信号。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：在所述第一传输阶段前将所述预设的干扰信号告知所述中继节点和所述接收簇簇头以便所述中继节点和所述接收簇簇头在所述第一传输阶段和第二传输阶段中消除所述干扰信号的影响。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点对所述窃听者进行干扰包括：使所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点定向向所述窃听者发送干扰信号。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤包括：

列出所有能作为所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的节点组合；

基于所列出的每一组节点组合，在一定发送功率下，计算所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率；

选择使所述第一传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第一组干扰节点作为所述选定的第一组干扰节点，选择使所述第二传输阶段的安全信息速率最大化的节点组合中的第二组干扰节点作为所述选定的第二组干扰节点，选择使所述第一传输阶段的安全信息速率和所述第二传输阶段的安全信息速率中的较小者最大化的节点组合中的中继节点作为所述选定的中继节点。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一传输阶段的安全信息速率为所述第一传输阶段中所述中继节点的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者和所述簇间窃听者最大信息速率的较大者之间的差，所述第二传输阶段的安全信息速率为所述第二传输阶段中所述接收簇簇头的最大信息速率与所述发送簇簇内窃听者、所述簇间窃听者和所述接收簇簇内窃听者最大信息速率的最大者之间的差。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，选择所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的步骤还包括：

获取所述中继节点、所述第一组干扰节点和所述第二组干扰节点的功率分配权值。

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