基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法，包括：根據(jù)不同的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分別確定各鏈路的信道類型；計(jì)算出各鏈路的信道遍歷容量或遍歷保密容量；根據(jù)信道遍歷容量或遍歷保密容量數(shù)值，選出中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息；其中所述協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景分為三種：(1)無竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景；(2)有竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景；(3)有竊聽、有干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。本方法運(yùn)用概率分布差異度量識(shí)別信道類型，使系統(tǒng)只通過矩的相關(guān)數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算，因此尤其簡(jiǎn)便。本發(fā)明能大幅度提高系統(tǒng)的信道遍歷容量或遍歷保密容量，改善協(xié)作通信系統(tǒng)的性能，能夠運(yùn)用于不同的通信網(wǎng)絡(luò)，通用性較強(qiáng)。
【專利說明】基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線協(xié)作通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通 信系統(tǒng)中繼選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 雖然中繼協(xié)作技術(shù)給人類通信帶來了很多便利，但由于其傳播信道的開放性使得 安全傳輸問題也變得越來越突出。傳統(tǒng)保密手段W現(xiàn)代密碼學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過密鑰和加 密算法對(duì)信息進(jìn)行加密。但加密算法并不是完全不可破解的，只要竊聽者獲取足夠多的明 文，就可W采用窮舉攻擊的方法來破譯密碼，另外秘鑰也可能會(huì)被泄露，所W該種保密方式 遇到了很大的挑戰(zhàn)。與此相比，物理層信息安全技術(shù)完全依靠物理層的固有特性，如信道的 衰落特性和噪聲，來實(shí)現(xiàn)保密通信，具有更高的可靠性。
[0003] 基于物理層安全技術(shù)的中繼選擇方案的研究近年來漸漸吸引了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，已 有相關(guān)算法和方案被設(shè)計(jì)和提出。比如在帶有保密限制的條件下利用竊聽信道的即時(shí)信息 或者平均信息建立起來的機(jī)會(huì)中繼選擇方案，該種方案選擇合法鏈路與竊聽鏈路的即時(shí)信 噪比之比最大，或者合法鏈路的即時(shí)信噪比與竊聽鏈路的信噪比方差的比最大的那個(gè)中繼 來轉(zhuǎn)發(fā)信息?；蛘咭环N帶有干擾節(jié)點(diǎn)的中繼選擇方案，該方案在選擇中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié) 點(diǎn)信息的同時(shí)，還選擇一個(gè)干擾節(jié)點(diǎn)來?？诎l(fā)送人為的干擾，W降低竊聽鏈路的通信質(zhì)量， 而該方案的中繼選擇準(zhǔn)則會(huì)把干擾節(jié)點(diǎn)涉及的鏈路信息考慮在內(nèi)。相關(guān)的方法還有不少， 雖然該些方案已經(jīng)考慮到了物理層安全的問題，但是它們都有一個(gè)共同的弱點(diǎn)，就是假設(shè) 信道類型為瑞利信道或某一種單一的信道，該是理想的情況，而現(xiàn)實(shí)的無線通信信道類型 是多樣的，一個(gè)通信場(chǎng)景中同時(shí)存在多種信道的情況是非常常見的。因此，研究在多種類型 信道的情況下如何選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)來確保通信安全是非常必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法，該方法運(yùn)用 概率分布差異度量來識(shí)別信道類型，使系統(tǒng)只通過矩的相關(guān)數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算，由于矩的 數(shù)據(jù)容易獲得，因此本方法尤其簡(jiǎn)便。本發(fā)明能大幅度提高系統(tǒng)的信道遍歷容量或遍歷保 密容量，改善協(xié)作通信系統(tǒng)的性能。另外，本發(fā)明能夠運(yùn)用于不同的通信網(wǎng)絡(luò)，通用性較強(qiáng)， 系統(tǒng)間切換靈活簡(jiǎn)便，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005] -種基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法，所述方法包括；根據(jù)不 同的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分別確定各鏈路的信道類型；計(jì)算出各鏈路的信道遍歷容量或遍 歷保密容量；根據(jù)信道遍歷容量或遍歷保密容量數(shù)值，選出中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息；其中所述 的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分為下述H種；（1)無竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景；（2) 有竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景；（3)有竊聽、有干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng) 景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1描述了兩中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的遍歷保密容量對(duì)比。
[0007] 圖2描述了H中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的遍歷保密容量對(duì)比。
[0008] 圖3描述了四中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的遍歷保密容量對(duì)比。
[0009] 圖4描述了不同中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下的誤碼率曲線對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面通過H種協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景說明本發(fā)明的操作步驟：
[0011] 一 .無竊聽、無干擾DF協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)
[0012] 本系統(tǒng)模型由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D和含L個(gè)DF(decode-and-化rward， 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)）類型的中繼節(jié)點(diǎn)集Sww= (1，2，...，U組成，不考慮源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的直接 路徑，網(wǎng)絡(luò)中存在F種信道類型，信道類型集合記為(1，2，...，巧。源節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)間的通信分為兩跳，第一跳中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到多個(gè)中繼，第二跳中被選擇的中繼節(jié) 點(diǎn)將數(shù)據(jù)譯碼后再轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。具體的中繼選擇步驟如下：
[0013] (1)通過測(cè)量、計(jì)算得到源節(jié)點(diǎn)S到第i (i = 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)（記為S - i) 鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比六1>、六^、…、巧表示即時(shí)信噪比的樣本數(shù)，取值大于1000， W及第i (i = 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D(記為i 一 D)鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比 嫂、姥，、…、鄉(xiāng)。
[0014] 似由嫂、乂？、…、地)計(jì)算得到k階樣本原點(diǎn)矩

【權(quán)利要求】
1. 一種基于物理層安全技術(shù)的協(xié)作通信系統(tǒng)中繼選擇方法，所述方法包括： 根據(jù)不同的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分別確定各鏈路的信道類型； 計(jì)算出各鏈路的信道遍歷容量或遍歷保密容量； 根據(jù)信道遍歷容量或遍歷保密容量數(shù)值，選出中繼節(jié)點(diǎn)； 其中所述的協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，分為下述三種： (1) 無竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景； (2) 有竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景； (3) 有竊聽、有干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在無竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下， 源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的信道類型，其確定方法如下：
率分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼 節(jié)點(diǎn)鏈路的信道類型ju;第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型， 其確定方法如下：
率分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型j2，i; 其中：j= 1，2，...，F(xiàn)，j表示信道類型，共有F種不同類型的信道；KOTdOT為大于或等 于4的整數(shù)；L表示譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的數(shù)量；表示由源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2,. . .，L) 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn)矩；表示由第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn) 矩；表示源節(jié)點(diǎn)S到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路在第j(j= 1，2,. . .，F(xiàn))種信道類型下的 即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路在第j(j= 1，2, ...，F(xiàn))種信道類型下的即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；n表示即時(shí)信噪比的樣本數(shù)，取 值大于1000。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在有竊聽、無干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下， 源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的信道類型，其確定方法如下：
率分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼 節(jié)點(diǎn)鏈路的信道類型ju;第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型， 其確定方法如下：
率分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型j2，i;第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的信道類 型，其確定方法如下：
分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié) 點(diǎn)E鏈路的信道類型j3，i; 其中：j= 1，2，...，F(xiàn)，j表示信道類型，共有F種不同類型的信道；KOTdOT為大于或等 于4的整數(shù)；L表示譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的數(shù)量；表示由源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2,...，L) 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn)矩；表示由第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn) 矩；表示源節(jié)點(diǎn)S到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路在第j(j= 1，2,. . .，F(xiàn))種信道類型下的 即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；Mf'2>表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路在第j(j =1，2，...，F(xiàn))種信道類型下的即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；；表示由第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn)矩； 表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路在第j(j= 1，2,. . .，F(xiàn))種信道類型下的即時(shí) 信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；n表示即時(shí)信噪比的樣本數(shù)，取值大于1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在有竊聽、有干擾譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下， 第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型，其確定方法如下：
率分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道類型j2，i;第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的信道類 型，其確定方法如下：
分布差異度量，差異度量最小所對(duì)應(yīng)的信道便是第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié) 點(diǎn)E鏈路的信道類型j3，i; 其中：j= 1，2,. . .，F(xiàn)，j表示信道類型，共有F種不同類型的信道；KOTd"為大于或等于4 的整數(shù)；L表示譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的數(shù)量；表示由第i(i= 1，2,...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的 節(jié)點(diǎn)D鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的k階樣本原點(diǎn)矩；Mf2)表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目 的節(jié)點(diǎn)D鏈路在第j(j= 1，2,. . .，F(xiàn))種信道類型下的即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；似f4 表示由第i(i= 1，2, ...，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的n個(gè)即時(shí)信噪比計(jì)算得到的 k階樣本原點(diǎn)矩；> 表示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路在第j(j= 1，2,. . .，F(xiàn))種 信道類型下的即時(shí)信噪比的k階理論原點(diǎn)矩；n表示即時(shí)信噪比的樣本數(shù)，取值大于1000。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述各鏈路的信道遍歷容量，其計(jì)算方法如下： (1)源節(jié)點(diǎn)S到第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的信道遍歷容量為：
其中： B為信道帶寬；Y1;i、Y2;i分別為源節(jié)點(diǎn)S到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的即時(shí)信噪比、第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的即時(shí)信噪比；為在信道類型j1:i中信噪比yu的 概率密度函數(shù)；為在信道類型j2;i中信噪比Y2;i的概率密度函數(shù)；表示選出的 中繼節(jié)點(diǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述各鏈路的信道遍歷容量及遍歷保密容量，其 計(jì)算方法如下： (1)源節(jié)點(diǎn)S到第i(i=1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的信道遍歷容量為：
其中： B為信道帶寬；Y1;i、Y2;i、分別為源節(jié)點(diǎn)S到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的即時(shí)信噪比、 第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的即時(shí)信噪比、第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的即 時(shí)信噪比；仏為在信道類型j1;i中信噪比Y1;i的概率密度函數(shù)；為在信道類 型中信噪比Yw的概率密度函數(shù)；為在信道類型中信噪比Ym的概率密 度函數(shù)；Cs;i表示中繼鏈路i的遍歷保密容量；i/表示選出的中繼節(jié)點(diǎn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述各鏈路的信道遍歷容量，其計(jì)算方法如下： (1)第i(i= 1，2,. . .，L)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的信道遍歷容量為：
其中： B為信道帶寬，Y2;i、^^分別為第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)D鏈路的即時(shí)信噪比、第i 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)E鏈路的即時(shí)信噪比；巧:,^2,,；)為在信道類型j2，i中信噪比y的 概率密度函數(shù)；;為在信道類型I中信噪比yu的概率密度函數(shù)；r表示選出的 干擾節(jié)點(diǎn)；"#表示選出的中繼節(jié)點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H04W12/00GK104486754SQ201410693305
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】覃彩玲, 肖琨 申請(qǐng)人:廣西師范大學(xué)