CN106100716A - 协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略。以源发送节点和中继节点之间的信道质量为依据，将所有中继节点划分为放大转发(AF)中继和译码转发(DF)中继两类。在选择进行协作的中继节点时，从两类中继节点中选择一个能够最大化瞬时私密速率的中继节点。对本发明所提策略的私密中断概率以及分集阶数进行了分析，并对所提策略的有效性进行了仿真验证，仿真结果表明，与传统的AF或DF方式的中继选择方案相比，本发明所提的基于混合转发的机会中继的安全增强策略的私密中断概率较小。

Description

协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略

技术领域：

本发明涉及一种在无线协作***中保障数据传输安全性的机制，特别涉及一种协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略。

背景技术：

迅速发展的无线通信技术突破了有线通信***受连线制约的局限，使得信息交互更加便捷。无线通信***中容纳的用户数量迅速增多，因此，需要***能够提供更高的数据传输速率。然而，由于无线介质本身具有的广播特性，相比于有线通信，无线通信中数据的传输面临着严峻的安全性挑战。

作为4G通信中的关键技术之一，协作中继在增大覆盖范围、提高数据传输速率以及加强传输可靠性等方面具有显著的优势。然而，由于协作中继网络中存在较多的节点，导致其网络结构复杂化。因此，如何确保协作网络中数据的安全传输是一个很严重的问题。从另一方面考虑，无线通信环境的多变性和复杂性使得无线信道之间存在着差异，相互独立的信道之间具有完全不相关的信道特性，因此，不同的用户收到的都是经过了不同衰落的信号，利用这种差异性能够极大地增强无线***中数据传输的安全性。近年来，利用物理层信息来解决无线协作***中的数据安全传输问题成为人们关注的一个方向。

协作中继的基本思想是中继之间相互合作以完成信息的转发，无线协作中继网络中中继间的协作不仅可以在不增加天线数的情况下提高空间分集，同时也能够有效地抵消无线衰落以增大私密速率，从而提升无线***的安全性能。很多文献都研究了存在单个中继时协作***的安全性问题，在有多个中继存在的情况下，使用多个中继转发，随之带来的是***实现复杂度的大幅度增大。针对这一问题，有文献提出了“机会中继”的概念，只用一个“最好”的中继进行协作传输。

协作中继技术在增强物理层安全中得到了广泛的应用，AF和DF作为中继转发最基础的两种方式也被普遍使用。中继单纯使用AF协作传输时，中继节点把从源节点处接收到的消息放大后发送给目的节点，但是，中继节点在将其收到的有用消息转发出去的同时，有用信号中夹杂的噪声也被目的节点接收，不利于目的节点正确接收数据。另一方面，如果中继节点使用固定的DF方式转发，则会发生中继节点将错误译码的信息转发给目的节点的情况，此时会降低***的性能。针对单纯使用AF和DF协作传输时的一些不足点，一种称为混合转发的方式被提出来，在这种转发方式下，中继可以根据它自身的译码能力在AF和DF之间进行选择。虽然有不少文献都考虑了中继节点以混合转发的方式参与协作，但是它们都没有关注协作***中的安全性问题。

发明内容：

本发明的目的是通过为中继节点选择工作模式，进一步提升无线协作***的安全性，因此提供了一种协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，通信***模型包括：发送节点S、目的接收节点D、窃听节点E以及K个中继节点R_k，k＝1,2,…,K，对于每一次数据的传输，在第一个时隙，发送节点S将数据以广播的形式发送给中继节点；第二个时隙，选择K个中继节点中的一个作为转发节点，将在第一个时隙内收到的数据转发给目的节点D，同时被窃听节点E窃听。

本发明进一步的改进在于，中继节点根据发送节点S与其之间的信道质量判断其自身的译码能力，以此能够将所有中继节点分为AF中继节点和DF中继节点两类，具体判断准则如下：

1)如果中继节点R_k选择DF模式转发；

2)如果中继节点R_k选择AF模式转发；

其中，γ_sk是发送节点S与中继节点R_k之间的瞬时信噪比，R_th是给定的数据发送速率门限值，对数前的系数表示一次通信过程的时间分为两个时隙。

本发明进一步的改进在于，中继节点工作模式判断准则如下：

如果发送节点S与中继节点R_k之间的信道质量满足权利要求2中的第一个判断条件，则当中继节点R_k被选中时会使用DF方式进行转发，此时***的瞬时可达私密速率为：

否则，当中继节点R_k被选中时将以AF的方式参与到后续的协作中，对应的***瞬时可达私密速率表示为：

其中，γ_kd是中继节点R_k与目的节点D之间的瞬时信噪比，γ_ke是中继节点R_k与窃听节点E之间的瞬时信噪比，函数f(·)为：

本发明进一步的改进在于，当中继节点R_k被选中作为转发节点时，***的瞬时可达私密速率为：

$R_s\left(k\right)=max\[0,\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{1+{\mathrm{\γ}}_D^k}{1+{\mathrm{\γ}}_E^k}\right)\];$

其中，是目的节点D处的接收信噪比，是窃听节点E处的接收信噪比，和的具体表达式如下：

${\mathrm{\&gamma;}}_D^k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_{kd}& {\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_{sk})/2\&GreaterEqual;R_{th}\\ f({\mathrm{\&gamma;}}_{sk},{\mathrm{\&gamma;}}_{kd})& {\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_{sk})/2<R_{th}\end{array}\right.$

${\mathrm{\&gamma;}}_E^k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_{ke}& {\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_{sk})/2\&GreaterEqual;R_{th}\\ f({\mathrm{\&gamma;}}_{sk},{\mathrm{\&gamma;}}_{ke})& {\log }_2(1+{\mathrm{\&gamma;}}_{sk})/2<R_{th}\end{array}\right.$

本发明进一步的改进在于，为了使通信***的瞬时可达私密速率最大化，选择使R_s(k)取最大值的那个中继进行协作转发，由此可得中继选择准则为：

$k^{*}=\underset{k=1,\mathrm{...},K}{\mathrm{argmax}}\left\{\frac{1+{\mathrm{\&gamma;}}_D^k}{1+{\mathrm{\&gamma;}}_E^k}\right\};$

其中，k^*为所选中继的索引值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

在高信噪比时，传统的单纯使用AF的方式下的私密中断概率比单纯使用DF方式下的私密中断概率高，而在低信噪比时，AF方式下的私密中断概率则比DF方式下低；相比于传统的单纯使用AF或DF方式，基于混合中继的方式能获得更小的私密中断概率，且在中高信噪比下本发明与传统的两种方式之间的性能差异更显著。

此外，本发明中所提的中继选择准则以集中式的方式部署，需要一个中心单元(源节点或目的节点)来维持一张表，这张表中包含K个中继以及各个中继到源节点、目的节点以及窃听节点的信道状态信息，对这张表进行查询即可得最好的中继。

附图说明：

图1是本发明所涉及的协作传输***模型图；

图2是本发明私密中断概率仿真结果与理论分析结果对比图；

图3是本发明与单纯使用AF和DF时的私密中断概率对比图；

图4是本发明私密中断概率随目标私密速率的变化曲线图；

图5是本发明私密中断概率随MER变化的曲线图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参考图1，本发明方法采用的通信***模型包括：一个源发射节点S，一个目的接收节点D，一个窃听节点E，K个中继节点(R_k,k＝1,...,K)，所有的节点都只配置单个天线。源节点S希望在中继节点的协助下将私密消息安全地传送给目的接收节点D，同时窃听节点E也试图截获源节点S发送的消息。此网络中的信道服从块平坦瑞利衰落，任意两个节点i和节点j之间的信道系数h_ij是一个均值为0，方差的循环对称复高斯随机变量，其中α是路径损耗指数。每个接收端的加性噪声都是零均值、方差为N₀的复高斯随机变量。由于中继节点工作在半双工模式，所以，源节点S与目的节点D之间的一次通信过程将在两个连续的时隙内进行。在第一个时隙，S向K个中继广播私密消息。在第二个时隙，采用本发明所提出的混合转发和机会选择策略，从K个中继中选择出一个最好的中继将私密消息转发给目的节点D。

实施例：

本实施例中仿真区域设置为3×3方形区域，不失一般性，将源节点S固定在(0,0)点，目的节点D放置在坐标(0,3)处，窃听节点E位于(3,0)点，K个中继在3×3方形区域中均匀随机分布。假设各节点间信道服从块平坦瑞利衰落，信道增益的均值由节点之间的距离以及路径损耗指数决定。因为所提策略侧重点在于中继转发模式的选择，而中继转发模式的选择与节点的位置分布有关，因此，在仿真中共生成了100个拓扑，采用的是蒙特卡洛仿真。为了验证本发明的有效性，将蒙特卡洛仿真结果与理论分析值进行了对比，具体结果如图2所示，其中，目标私密速率R_s＝0.1bit/s/Hz，考虑了中继数量K取6，8，10的情况。从图中可以得出以下三个结论：首先，在低信噪比时，由于理论分析时所使用的近似的关系，导致理论值与仿真结果有偏差，但是，在高信噪比时，仿真结果与理论分析结果十分吻合，这验证了本发明理论分析的正确性；其次，增大***的SNR，私密中断概率会降低，但在高信噪比时会趋于一个正的常数，这是因为在高信噪比的时候，合法链路的传输速率与窃听链路的传输速率之间的差值几乎不再随着平均信噪比的增大而增大。最后，从图中可以看到，通过增加中继节点的数量，***的安全性能也会得到明显的提高，因为中继节点数越多，***就有更高的自由度去选择更好的中继用于提升***安全性。

图3给出了混合转发、AF和DF三种转发方式下的私密中断概率的仿真结果，从图中可以看到，与单纯的AF和DF相比，本发明在降低私密中断概率上具有明显的优势，特别是在信噪比处于中等水平时。在低信噪比时，中继译码正确的概率低，根据混合转发的原则，中继节点将以高概率采用放大转发的方式参与协作，此时的混合转发的性能接近于AF时的性能。而在高信噪比时，中继译码正确的概率高，选出的最优中继以译码转发的方式工作的可能性要大得多，即在高信噪比时，本发明的性能与DF时的性能比较接近。但是，在中等信噪比这一区域时，本发明将更有利于对抗窃听。

图4展示的是私密中断概率与目标私密速率之间的关系曲线，仿真中设置的中继节点数目为K＝5，对SNR取10dB，20dB和30dB三种情况进行了仿真。从图中可以看到：首先，随着目标私密速率增大，私密中断概率也会相应提高，但私密中断概率最终会趋于一个常数；其次，在给定目标私密速率时，随着SNR的增大，私密中断概率会越来越小，这是因为SNR增大会提高瞬时私密速率，所以，相应的私密中断概率会降低。

为了说明本发明的分集阶数性能，仿真了私密中断概率相对于MER的变化曲线，如图5所示，MER指的是仿真中将SNR设为20dB，目标私密速率为0.1bit/s/Hz。从图中可以看到，随着MER的增大，私密中断概率会单调递减，这是因为MER越大意味着主信道的信道质量相对于窃听信道的信道质量就越好，所以，***私密容量也就越大。另外，随着中继节点的数目从2增大到6，私密中断概率也在在明显地变小，这说明增大协作中继的数量有助于提高物理层安全抗窃听的能力。以***中存在4个中继为例，当MER为5dB时，***的私密中断概率为10-2，当MER增大到15dB时，从图中可以看到，此时***的私密中断概率近似为10-6，即MER下降10dB，私密中断概率近似下降了4个数量级，说明了本发明的分集阶数为K。

至此，本发明方法的安全性的优势得以体现，其技术方案和仿真结果都可以验证本发明在增强协作***安全性方面的有效作用。

Claims (5)

1.协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，其特征在于，通信***模型包括：发送节点S、目的接收节点D、窃听节点E以及K个中继节点R_k，k＝1,2,…,K，对于每一次数据的传输，在第一个时隙，发送节点S将数据以广播的形式发送给中继节点；第二个时隙，选择K个中继节点中的一个作为转发节点，将在第一个时隙内收到的数据转发给目的节点D，同时被窃听节点E窃听。

2.根据权利要求1所述的协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，其特征在于，中继节点根据发送节点S与其之间的信道质量判断其自身的译码能力，以此能够将所有中继节点分为AF中继节点和DF中继节点两类，具体判断准则如下：

1)如果中继节点R_k选择DF模式转发；

2)如果中继节点R_k选择AF模式转发；

其中，γ_sk是发送节点S与中继节点R_k之间的瞬时信噪比，R_th是给定的数据发送速率门限值，对数前的系数表示一次通信过程的时间分为两个时隙。

3.根据权利要求2所述的协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，其特征在于，中继节点工作模式判断准则如下：

如果发送节点S与中继节点R_k之间的信道质量满足权利要求2中的第一个判断条件，则当中继节点R_k被选中时会使用DF方式进行转发，此时***的瞬时可达私密速率为：

否则，当中继节点R_k被选中时将以AF的方式参与到后续的协作中，对应的***瞬时可达私密速率表示为：

其中，γ_kd是中继节点R_k与目的节点D之间的瞬时信噪比，γ_ke是中继节点R_k 与窃听节点E之间的瞬时信噪比，函数f(·)为：

4.根据权利要求3中所述的协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，其特征在于，当中继节点R_k被选中作为转发节点时，***的瞬时可达私密速率为：

其中，是目的节点D处的接收信噪比，是窃听节点E处的接收信噪比， 和的具体表达式如下：

。

5.根据权利要求4所述的协作通信***中基于混合转发和机会中继的安全增强策略，其特征在于，为了使通信***的瞬时可达私密速率最大化，选择使R_s(k)取最大值的那个中继进行协作转发，由此可得中继选择准则为：

其中，k^*为所选中继的索引值。