本發(fā)明屬于無線中繼系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

作為第四代移動通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，協(xié)作通信在增加系統(tǒng)傳輸范圍、提高系統(tǒng)的傳輸吞吐量以及增強傳輸?shù)目煽啃苑矫婢哂蟹浅ｏ@著的優(yōu)勢。協(xié)作通信系統(tǒng)的核心思想是利用無線網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點之間的相互協(xié)作，實現(xiàn)傳輸路徑共享，提升系統(tǒng)的覆蓋范圍，降低傳輸功率，提高整個無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。傳統(tǒng)的協(xié)作通信方案中僅考慮了節(jié)點是作為中繼節(jié)點的角色，該類節(jié)點只是發(fā)揮了一個轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點信息的功能。目前，協(xié)作通信的研究主要集中在增強整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如中繼選擇，波束賦形的設(shè)計，分布式空時編碼等等。由于協(xié)作通信系統(tǒng)中存在較多的節(jié)點，因此其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，保障協(xié)作系統(tǒng)中信息的安全傳輸同樣是一個很嚴(yán)峻的問題，所以，近年來，有很多學(xué)者也十分關(guān)注協(xié)作通信系統(tǒng)的物理層傳輸?shù)陌踩詥栴}。

在協(xié)作通信系統(tǒng)中，已經(jīng)有很多的技術(shù)用來保障系統(tǒng)的安全傳輸。之前提到的用來增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的中繼選擇和波束賦形技術(shù)也被重新設(shè)計來提升系統(tǒng)的安全性。協(xié)作干擾是一種有效的抵抗竊聽節(jié)點獲取有用信息的方法。舉個例子，當(dāng)中繼節(jié)點與目的節(jié)點間的信息傳輸有安全需求的時候，針對中繼節(jié)點為單天線和多天線的情況，有的文獻(xiàn)提出了協(xié)作波束賦形方案來保障安全傳輸，其主要思想是在中繼節(jié)點處，利用協(xié)作波束賦形的技術(shù)，將信號波形集中到目的節(jié)點的方向，從而使得在目的節(jié)點之外的節(jié)點能接收到的信號的功率非常小，來降低竊聽節(jié)點的接收功率。在有的文獻(xiàn)中，提出了在不同的協(xié)作傳輸協(xié)議下，利用中繼選擇技術(shù)來增強系統(tǒng)的安全性的方案，該方案是在每次傳輸之前，在源節(jié)點處，利用全局信道狀態(tài)信息，選出一個或者多個中繼進(jìn)行第二階段的信號傳輸，中繼選擇的準(zhǔn)則是要滿足選出的中繼需使得整個系統(tǒng)的安全速率最大。針對雙向中繼系統(tǒng)，有文獻(xiàn)提出了一種聯(lián)合預(yù)編碼和協(xié)作干擾設(shè)計的方案，能有效的保障系統(tǒng)的安全傳輸。也有文獻(xiàn)將中繼選擇，協(xié)作波束賦形，協(xié)作干擾聯(lián)合設(shè)計來抵抗竊聽節(jié)點獲取有用信息。此外，還有作者利用星座點旋轉(zhuǎn)以及抗竊聽空時編碼來保障協(xié)作通信系統(tǒng)中的安全性。

然而，前面的這些工作都是基于專用的中繼節(jié)點可以工作的假設(shè)下的，這些專用的中繼節(jié)點扮演著信息的轉(zhuǎn)發(fā)或者干擾的角色。當(dāng)這些專用的中繼節(jié)點不存在的時候，其他的在網(wǎng)絡(luò)中有著自己傳輸任務(wù)的用戶節(jié)點就必須協(xié)助源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，這些用戶節(jié)點就被強迫使用他們自己的資源來轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且這些用戶節(jié)點無法傳輸自己的信息，從而會對整個系統(tǒng)的吞吐量造成影響，目前還沒有文章考慮在一個沒有專用的中繼節(jié)點的協(xié)作通信系統(tǒng)中的物理層安全傳輸問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)沒有專用中繼節(jié)點時協(xié)作通信系統(tǒng)中信息的物理層安全傳輸。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：

1)設(shè)協(xié)作通信系統(tǒng)包括n+1個用戶節(jié)點及一個目的節(jié)點bob，其中，各用戶節(jié)點處于同一簇內(nèi)，各用戶節(jié)點均配置單個天線，目的節(jié)點bob配置nr根接收天線，所有用戶節(jié)點中僅有一個用戶節(jié)點alice有安全需求，剩余n個用戶節(jié)點均作為中繼節(jié)點以幫助用戶節(jié)點alice進(jìn)行信息的傳遞，每個中繼節(jié)點均分配有一個數(shù)字標(biāo)識符i∈[1,n]；

2)用戶節(jié)點alice在信息傳輸時，先從所有中繼節(jié)點中隨機(jī)選擇na個中繼節(jié)點用于攜帶用戶節(jié)點alice的信息，則存在種選擇方式，再構(gòu)建映射函數(shù)，使得用戶節(jié)點alice發(fā)送信息的符號與選擇出來na個中繼節(jié)點的數(shù)字標(biāo)識符一一對應(yīng)；

3)用戶節(jié)點alice向各中繼節(jié)點廣播待發(fā)送信息，各中繼節(jié)點接收用戶節(jié)點alice廣播過來的信息，再將接收到的信息進(jìn)行解碼，得接收到的信息的符號，然后根據(jù)映射函數(shù)判斷各中繼節(jié)點接收到的信息的符號是否與自身的數(shù)字標(biāo)識符相對應(yīng)，并根據(jù)判斷的結(jié)果將各中繼節(jié)點劃分到中繼集合ω1及中繼集合ω2中，其中，中繼集合ω1中各中繼節(jié)點接收到的信息的符號與自身的數(shù)字標(biāo)識符相對應(yīng)，中繼集合ω2中各中繼節(jié)點收到的信息的符號與自身的數(shù)字標(biāo)識符不對應(yīng)；

4)中繼集合ω1中各中繼節(jié)點將接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點中，中繼集合ω2中各中繼節(jié)點對接收到的信息進(jìn)行預(yù)編碼，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點中；

5)目的節(jié)點bob將自身的nr接收天線分為兩組，其中，由第一組接收天線構(gòu)建的集合記作空間檢測天線集合l1，其中，空間檢測天線集合l1內(nèi)有nr1根接收天線，由第二組接收天線構(gòu)成的集合記作符號檢測天線集合l2，目的節(jié)點bob上的接收天線在接收信息時，通過空間檢測天線集合l1中的各接收天線將中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送過來的信息抵消掉；

6)目的節(jié)點對收到的信息進(jìn)行解碼，得用戶節(jié)點alice發(fā)送的信息，完成中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸。

用戶節(jié)點alice廣播待發(fā)送信息的調(diào)制階數(shù)為代表取比x大的最小的2的整數(shù)次冪，用戶節(jié)點alice使用個中繼節(jié)點中的個中繼節(jié)點進(jìn)行信息的傳遞。

中繼集合ω2中各中繼節(jié)點對接收到的信息進(jìn)行預(yù)編碼的具體操作為：

中繼集合ω2中的中繼節(jié)點對接收到的信息根據(jù)預(yù)編碼矩陣p進(jìn)行預(yù)編碼，使中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送的信息能夠在空間檢測天線集合l1中各各接收天線處被抵消掉，其中，預(yù)編碼矩陣p由信道h12的零空間的元素構(gòu)成，h12為中繼集合ω2中的中繼節(jié)點到空間檢測天線集合l1中各接收天線處的信道矩陣。

目的節(jié)點bob處的接收信號yb為：

其中，er為中繼節(jié)點的發(fā)射功率，h為所有中繼節(jié)點與目的節(jié)點bob之間的信道矩陣，x為所有中繼節(jié)點發(fā)送的信息構(gòu)成的向量，nb為目的節(jié)點bob處均值為0的加性高斯白噪聲，nb的方差為

目的節(jié)點上第一組天線接收到的信號yb1及第二組天線接收到的信號yb2分別為：

其中，hnm為集合ωm內(nèi)的所有中繼節(jié)點與集合ln內(nèi)的所有接收天線的信道矩陣，m,n∈1,2；x1為中繼集合ω1中各中繼節(jié)點發(fā)送的信號，x2為中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送的信號，nb1,nb2為目的節(jié)點bob處的加性高斯白噪聲。

目的節(jié)點bob將空間檢測天線集合l1中的接收天線收到的信息按照式(4)進(jìn)行解碼，得用戶節(jié)點alice發(fā)送過來的信息，其中，

其中，為中繼集合ω1中的中繼節(jié)點與空間檢測天線集合l1中的接收天線之間的信道矩陣，x′為中繼集合ω1中的中繼節(jié)點發(fā)送的信號。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法在具體操作時，所有用戶節(jié)點中僅有一個用戶節(jié)點alice有安全需求，剩余n個用戶節(jié)點均作為中繼節(jié)點以幫助用戶節(jié)點alice進(jìn)行信息的傳輸，同時在信息輸出過程中，用戶節(jié)點alice選取若干中繼節(jié)點用于攜帶用戶節(jié)點alice的信息，目的節(jié)點在接收信息時，將沒有被選擇出來的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的信息在目的節(jié)點處被抵消掉，并解碼選擇出來的中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的信息，以實現(xiàn)沒有專用中繼節(jié)點時協(xié)作通信系統(tǒng)中信息的物理層安全傳輸，需要說明的是，信息在傳遞過程中，各信道之間衰落的獨立性，竊聽節(jié)點eve永遠(yuǎn)檢測到的是所有的中繼節(jié)點都處在激活的狀態(tài)，無法分辨被選擇出來的中繼節(jié)點和未被選擇出來的中繼節(jié)點，因此無法正確的恢復(fù)出用戶節(jié)點alice發(fā)送的信息，從而有效的保證信息的安全傳輸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖2為本發(fā)明與現(xiàn)有方案在不同竊聽節(jié)點天線個數(shù)下的遍歷安全速率比較圖；

圖3為在不同接收天線個數(shù)本發(fā)明與現(xiàn)有方案下的遍歷安全速率比較圖；

圖4為本發(fā)明與與分布式空間調(diào)制方案的平均總互信息比較圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸方法包括以下步驟：

1)設(shè)協(xié)作通信系統(tǒng)包括n+1個用戶節(jié)點及一個目的節(jié)點bob，其中，各用戶節(jié)點處于同一簇內(nèi)，各用戶節(jié)點均配置單個天線，目的節(jié)點bob配置nr根接收天線，所有用戶節(jié)點中僅有一個用戶節(jié)點alice有安全需求，剩余n個用戶節(jié)點均作為中繼節(jié)點以幫助用戶節(jié)點alice進(jìn)行信息的傳遞，每個中繼節(jié)點均分配有一個數(shù)字標(biāo)識符i∈[1,n]；

2)用戶節(jié)點alice在信息傳輸時，先從所有中繼節(jié)點中隨機(jī)選擇na個中繼節(jié)點用于攜帶用戶節(jié)點alice的信息，則存在種選擇方式，再構(gòu)建映射函數(shù)，使得用戶節(jié)點alice發(fā)送信息的符號與選擇出來na個中繼節(jié)點的數(shù)字標(biāo)識符一一對應(yīng)；

3)用戶節(jié)點alice向各中繼節(jié)點廣播待發(fā)送信息，各中繼節(jié)點接收用戶節(jié)點alice廣播過來的信息，再將接收到的信息進(jìn)行解碼，得接收到的信息的符號，然后根據(jù)映射函數(shù)判斷各中繼節(jié)點接收到的信息的符號是否與自身的數(shù)字標(biāo)識符相對應(yīng)，并根據(jù)判斷的結(jié)果將各中繼節(jié)點劃分到中繼集合ω1及中繼集合ω2中，其中，中繼集合ω1中各中繼節(jié)點接收到的信息的符號與自身的數(shù)字標(biāo)識符相對應(yīng)，中繼集合ω2中各中繼節(jié)點收到的信息的符號與自身的數(shù)字標(biāo)識符不對應(yīng)；

4)中繼集合ω1中各中繼節(jié)點將接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點中，中繼集合ω2中各中繼節(jié)點對接收到的信息進(jìn)行預(yù)編碼，然后再轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點中；

5)目的節(jié)點bob將自身的nr接收天線分為兩組，其中，由第一組接收天線構(gòu)建的集合記作空間檢測天線集合l1，其中，空間檢測天線集合l1內(nèi)有nr1根接收天線，由第二組接收天線構(gòu)成的集合記作符號檢測天線集合l2，目的節(jié)點bob上的接收天線在接收信息時，通過空間檢測天線集合l1中的各接收天線將中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送過來的信息抵消掉；

6)目的節(jié)點對收到的信息進(jìn)行解碼，得用戶節(jié)點alice發(fā)送的信息，完成中繼網(wǎng)絡(luò)中基于分布式空間調(diào)制的物理層安全傳輸。

具體的，用戶節(jié)點alice廣播待發(fā)送信息的調(diào)制階數(shù)為代表取比x大的最小的2的整數(shù)次冪，用戶節(jié)點alice使用個中繼節(jié)點中的個中繼節(jié)點進(jìn)行信息的傳遞。

中繼集合ω2中各中繼節(jié)點對接收到的信息進(jìn)行預(yù)編碼的具體操作為：中繼集合ω2中的中繼節(jié)點對接收到的信息根據(jù)預(yù)編碼矩陣p進(jìn)行預(yù)編碼，使中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送的信息能夠在空間檢測天線集合l1中各各接收天線處被抵消掉，其中，預(yù)編碼矩陣p由信道h12的零空間的元素構(gòu)成，h12為中繼集合ω2中的中繼節(jié)點到空間檢測天線集合l1中各接收天線處的信道矩陣。

目的節(jié)點bob處的接收信號yb為：

其中，er為中繼節(jié)點的發(fā)射功率，h為所有中繼節(jié)點與目的節(jié)點bob之間的信道矩陣，x為所有中繼節(jié)點發(fā)送的信息構(gòu)成的向量，nb為目的節(jié)點bob處均值為0的加性高斯白噪聲，nb的方差為

目的節(jié)點上第一組天線接收到的信號yb1及第二組天線接收到的信號yb2分別為：

其中，hnm為集合ωm內(nèi)的所有中繼節(jié)點與集合ln內(nèi)的所有接收天線的信道矩陣，m,n∈1,2；x1為中繼集合ω1中各中繼節(jié)點發(fā)送的信號，x2為中繼集合ω2中各中繼節(jié)點發(fā)送的信號，nb1,nb2為目的節(jié)點bob處的加性高斯白噪聲。

目的節(jié)點bob將空間檢測天線集合l1中的接收天線收到的信息按照式(4)進(jìn)行解碼，得用戶節(jié)點alice發(fā)送過來的信息，其中，

其中，為中繼集合ω1中的中繼節(jié)點與空間檢測天線集合l1中的接收天線之間的信道矩陣，x′為中繼集合ω1中的中繼節(jié)點發(fā)送的信號。

竊聽節(jié)點eve的接收信號ye為：

其中，g為所有中繼節(jié)點與竊聽節(jié)點eve之間的信道矩陣，ne為竊聽節(jié)點eve處的加性高斯白噪聲，x為所有中繼節(jié)點發(fā)送的信息。

仿真實驗

為驗證本發(fā)明的性能，假設(shè)有9個用戶節(jié)點，即有8個用戶節(jié)點用于充當(dāng)中繼節(jié)點的角色。本試驗中將通過本發(fā)明與現(xiàn)有方案進(jìn)行比較。

首先，先對現(xiàn)有方案進(jìn)行介紹，owjamming方案是一種根據(jù)系統(tǒng)的性能動態(tài)的決定是否使用人工噪聲的辦法，由于人工噪聲不僅僅會干擾竊聽節(jié)點，降低竊聽節(jié)點的信道質(zhì)量，與此同時，也會對合法節(jié)點造成干擾?；诤戏ü?jié)點無法抵消人工噪聲的影響這樣的一個假設(shè)，所有時隙都發(fā)送人工噪聲并不是最好的方案，因此，owjamming方案就是根據(jù)系統(tǒng)的瞬時安全速率來判斷，在每次傳輸時有兩種模式，一種是不使用人工噪聲的方式，這種方式在每次傳輸過程中，只選擇一個中繼節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點的信息，而選擇中繼節(jié)點的準(zhǔn)則就是讓選擇出來的中繼節(jié)點能最大化系統(tǒng)的安全速率；另一種是使用人工噪聲的方式，這種方式在每次傳輸過程中，選擇兩個中繼節(jié)點，一個中繼節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)信息的節(jié)點，另一個中繼節(jié)點作為干擾者發(fā)送人工噪聲，這個模式下中繼選擇的準(zhǔn)則為：先根據(jù)安全速率最大化的要求，選出一個中繼節(jié)點，然后在剩下的中繼節(jié)點中選擇一個中繼節(jié)點作為干擾，使得整個系統(tǒng)的安全速率能夠達(dá)到最大；dfbors方案為一個沒有利用人工噪聲的方案，該方案是在解碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議下，利用目的節(jié)點和竊聽節(jié)點的信道狀態(tài)信息，在每次傳輸時，選擇一個中繼節(jié)點，使得系統(tǒng)的安全速率最大；協(xié)作波束賦形方案是利用中繼節(jié)點的協(xié)作，將發(fā)射波束聚焦到目的節(jié)點處，而利用竊聽節(jié)點的信道狀態(tài)信息，在竊聽節(jié)點處造成一個零陷，使得竊聽節(jié)點無法獲取有用信息，從而保障系統(tǒng)的安全傳輸。

情況1：當(dāng)目的節(jié)點上接收天線的數(shù)目為四時，當(dāng)竊聽節(jié)點配備不同個數(shù)的接收天線的情況下，各個方案的遍歷安全速率的變化情況。從圖2中可以看出，在低信噪比的時候，理論值與仿真值存在著一定的差距，而在高信噪比的時候，理論值和仿真值之間是重合的，其原因在于：當(dāng)nc的值比較大時，則會造成空間域的符號錯誤概率的聯(lián)合界有較大的偏差。當(dāng)信噪比增加時，本發(fā)明的安全速率將會達(dá)到它的最大值并且可以看出，本發(fā)明的安全速率不受竊聽者天線數(shù)目的影響，其原因在于：對于竊聽節(jié)點eve來說，其空間符號實際上只有一個，因此無法從空間符號處獲得任何有用的信息，所以這部分的互信息為0，因此無論竊聽者天線怎么變化，系統(tǒng)的安全速率僅由目的節(jié)點bob的性能來決定。從圖2可以看出，當(dāng)竊聽者天線增多的情況下，現(xiàn)有方案的安全速率都會下降，然而本發(fā)明不僅具有最好的安全性能，而且其安全性能完全不受竊聽者天線的影響。

情況2：給出了竊聽者的接收天線的數(shù)目固定為4，當(dāng)目的節(jié)點bob配備不同個數(shù)的接收天線的情況下，各個方案的遍歷安全速率的變化情況。對于協(xié)作波束賦形方案，由于對天線數(shù)目的限制nr+ne≤n，因此，只對該方案的用戶節(jié)點bob配備3根天線和4根天線的情況進(jìn)行仿真。從圖3中可以看出，當(dāng)信噪比增大的時候，本發(fā)明的安全速率可以達(dá)到最大值，并且它的收斂速度隨著目的節(jié)點bob的天線數(shù)目的增大而變快。另外，相比較于三個現(xiàn)有方案，本發(fā)明在沒有專用中繼節(jié)點以及沒有使用額外的干擾的前提下，仍具有最好的安全性能。

情況3：給出了本發(fā)明與dsm方案的平均總互信息比較。假設(shè)在dsm方案中，所有中繼節(jié)點都能夠正確的解碼源節(jié)點的信息，在這兩個方案中，中繼節(jié)點的個數(shù)都設(shè)置為8個。從圖4中可以看出，本發(fā)明與dsm方案中，中繼節(jié)點的個數(shù)都決定系統(tǒng)能達(dá)到的空間域互信息的上限，而接收天線的個數(shù)則決定了總互信息上升的速度。從圖4中可以明顯看出，本發(fā)明在平均總互信息要優(yōu)于dsm方案。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。