本發(fā)明屬于無線中繼網(wǎng)絡安全通信技術領域，涉及一種基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信方法。

背景技術：

安全性一直都是通信所關注的焦點。近年來，隨著無線技術的不斷發(fā)展，無線通信給人們帶來了更好的用戶體驗，比如更高的數(shù)據(jù)速率、更穩(wěn)定的通話質量。同時，由于無線通信與我們的生活日益密切，人們對安全性提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的安全主要還是依靠從有線通信網(wǎng)繼承來的密鑰加密協(xié)議機制，它基于三個假設，一是信息在物理層無差錯的傳輸，二是僅有合法的發(fā)送者與接收者知道密鑰，竊聽者只能通過接收到的信號破譯出密鑰后才有可能解密信息，三是竊聽者現(xiàn)有的計算能力很難破譯出密鑰。但是，無線通信，由于其開放性和廣播等特性，極易受到干擾和竊聽的威脅。物理層安全，從信息論角度出發(fā)，充分利用無線信道的特征和無線信號的基本格式，從而實現(xiàn)安全通信。物理層安全的優(yōu)點是，即便竊聽者具備無限的計算能力，其仍舊無法獲得正確信息。物理層安全也因此獲得了大量的研究。物理層安全技術旨在提升無線通信的內在安全性，防止竊聽，可作為在無線通信的安全框架上對傳統(tǒng)加密體制的必要補充，增強無線通信的安全性。

無線中繼網(wǎng)絡是無線通信中比較常見的通信模型之一，一般包含一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點、一個或多個中繼節(jié)點。在實際中，由于沒有直連鏈路或者由于陰影、遮擋和覆蓋面積等因素的影響導致直連鏈路的信道特性很差，這時就需要一個中繼來協(xié)助信息的傳輸。但是在無線中繼網(wǎng)絡中，中繼有可能是不可靠的，即它在幫助信息傳輸?shù)耐瑫r有可能竊聽信息，這在實際中也是很常見的，比如我們租賃第三方的設備(衛(wèi)星)進行輔助通信，因此，不可靠中繼通信的安全問題引起了人們的廣泛研究。

無線中繼網(wǎng)絡常采用的中繼轉發(fā)協(xié)議主要有：放大-轉發(fā)協(xié)議和譯碼-轉發(fā)協(xié)議。譯碼-轉發(fā)協(xié)議是先從中繼接收信號中譯出有用信號，然后轉發(fā)給目的接收者。當中繼譯碼出現(xiàn)錯誤時，譯碼-轉發(fā)方式將會引起中繼鏈路的中斷，并且當數(shù)據(jù)分組較長時，中繼的譯碼延時將會導致系統(tǒng)效率的下降。而放大-轉發(fā)協(xié)議僅僅放大接收到的信號，因此處理延時和復雜度都很小。此外，當中繼不可靠時，譯碼-轉發(fā)協(xié)議不能被采用。

全雙工通信，作為通信方式的一種，是指在通信的任意時刻，通信的雙方可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此，它具有實時性好，效率高等優(yōu)點，也比較符合實際的需求。

Jun Xiong等人在文獻(J.Xiong,L.Cheng,D.Ma and J.Wei,"Destination-Aided Cooperative Jamming for Dual-Hop Amplify-and-Forward MIMO Untrusted Relay Systems,"in IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.65,no.9,pp.7274-7284,Sept.2016)中考慮一種兩跳MIMO(多輸入多輸出)無線中繼網(wǎng)絡模型，假設中繼是不可靠的并工作在半雙工模式，進而提出了基于目的干擾協(xié)作的安全傳輸方案。文獻(Q.Shi,M.Hong,X.Gao,E.Song,Y.Cai and W.Xu,"Joint Source-Relay Design for Full-Duplex MIMO AF Relay Systems,"in IEEE Transactions on Signal Processing,vol.64,no.23,pp.6118-6131,Dec.1,2016)對無線中繼全雙工通信網(wǎng)絡進行了討論，通過最大化系統(tǒng)和速率來求解最優(yōu)的源波束賦形矢量和中繼發(fā)送預編碼矩陣，而針對全雙工下的不可靠中繼安全通信問題目前尚無討論和研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信方法，該方法能夠實現(xiàn)全雙工下不可靠中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)安全傳輸。

為達到上述目的，本發(fā)明所述的基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信方法包括以下步驟：

構建四節(jié)點無線中繼網(wǎng)絡全雙工通信模型，根據(jù)四節(jié)點無線中繼網(wǎng)絡全雙工通信模型計算不可靠中繼節(jié)點的接收信號表達式及目的節(jié)點的接收信號表達式，然后構建不可靠中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p，使目的節(jié)點處的干擾能夠被消除，再根據(jù)不可靠中繼節(jié)點的接收信號表達式、目的節(jié)點的接收信號表達式以及不可靠中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p進行數(shù)據(jù)的傳輸，完成基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信。

設數(shù)據(jù)按幀進行傳輸，幀長為F，每個幀內信道信息不發(fā)生變化，而各幀之間的信道獨立變化，則在數(shù)據(jù)傳輸過程中，源節(jié)點S廣播待發(fā)送信息s，同時干擾源J發(fā)送人工噪聲z，則在時隙n時刻不可靠中繼節(jié)點R接收到的信號y_R(n)為：

其中，P_s、P_r及P_j分別為源節(jié)點、不可靠中繼節(jié)點及干擾源的發(fā)射功率；f_ij為從節(jié)點i到節(jié)點j的信道，為加性高斯白噪聲矢量，x_R(n)為不可靠中繼節(jié)點R在時隙n時刻發(fā)送的信號矢量，設不可靠中繼節(jié)點的處理時延為一個時隙，則x_R(n)為：

x_R(n)＝Qy_R(n-1) (2)

由式(1)及式(2)得為：

目的節(jié)點D接收到的信號y_D(n)為：

其中，β為功率歸一化因子，為加性高斯白噪聲。

不可靠中繼節(jié)點R發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p的構建過程為：

由式(4)得

設rank(Q)＝1，Q的秩為1，則將代入式(5)中，得：

其中，null(A)為A的零空間，再根據(jù)式(6)得中繼節(jié)點R發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信方法在具體操作時，通過構建不可靠中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p，消除目的節(jié)點處的干擾，從而使人工干擾對目的節(jié)點沒有任何影響，經(jīng)仿真，通過干擾協(xié)作，不可靠中繼節(jié)點處的性能得以惡化，然而目的節(jié)點不受影響，在具體操作時，可以通過適當調整干擾功率，使不可靠中繼節(jié)點處的誤碼性能控制在一定范圍內，從而使系統(tǒng)達到安全性要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理圖；

圖2為本發(fā)明中不可靠中繼節(jié)點和目的節(jié)點在不同干擾下的BER曲線圖；

圖3為所需干擾功率與中繼處BER的關系。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信方法包括以下步驟：

構建四節(jié)點無線中繼網(wǎng)絡全雙工通信模型，根據(jù)四節(jié)點無線中繼網(wǎng)絡全雙工通信模型計算不可靠中繼節(jié)點的接收信號表達式及目的節(jié)點的接收信號表達式，然后構建不可靠中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p，使目的節(jié)點處的干擾能夠被消除，再根據(jù)不可靠中繼節(jié)點的接收信號表達式、目的節(jié)點的接收信號表達式以及不可靠中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p進行數(shù)據(jù)的傳輸，完成基于干擾協(xié)作的不可靠中繼全雙工通信。

設數(shù)據(jù)按幀進行傳輸，幀長為F，每個幀內信道信息不發(fā)生變化，而各幀之間的信道獨立變化，則在數(shù)據(jù)傳輸過程中，源節(jié)點S廣播待發(fā)送信息s，同時干擾源J發(fā)送人工噪聲z，則在時隙n時刻不可靠中繼節(jié)點R接收到的信號y_R(n)為：

其中，P_s、P_r及P_j分別為源節(jié)點、不可靠中繼節(jié)點及干擾源的發(fā)射功率；f_ij為從節(jié)點i到節(jié)點j的信道，為加性高斯白噪聲矢量，x_R(n)為不可靠中繼節(jié)點R在時隙n時刻發(fā)送的信號矢量，設不可靠中繼節(jié)點的處理時延為一個時隙，則x_R(n)為：

x_R(n)＝Qy_R(n-1) (2)

由式(1)及式(2)得為：

目的節(jié)點D接收到的信號y_D(n)為：

其中，β為功率歸一化因子，為加性高斯白噪聲。

不可靠中繼節(jié)點R發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p的構建過程為：

由式(4)得

設rank(Q)＝1，Q的秩為1，則將代入式(5)中，得：

其中，null(A)為A的零空間，再根據(jù)式(6)得中繼節(jié)點R發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p。

根據(jù)中繼節(jié)點R發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p得中繼節(jié)點處的接收信號y_R(n)及目的節(jié)點處的接收信號y_D(n)分別為：

很顯然，除了有用信號，中繼節(jié)點處還包含符號間干擾、人工干擾及噪聲；而目的節(jié)點處就只有噪聲，此外，為了保證中繼節(jié)點不能消除符號間干擾，在第一個時隙源節(jié)點發(fā)送一個不承載有用信號的干擾，通過以上設計，不可靠中繼節(jié)點處的性能得到惡化而目的節(jié)點的性能基本不受影響。

根據(jù)式(7)得中繼節(jié)點處的信干噪比SINR_R為：

設P_s＝P_r，并且則當信噪比SINR_R趨于無窮大時，式(9)轉換為：

可見，隨著信噪比的增大，不可靠中繼節(jié)點處的性能會趨于一個定值。

同理，目的節(jié)點處的SNR_D為：

由式(2)得，SNR_D是SNR的增函數(shù)，即隨著信噪比的增加，目的節(jié)點處的性能越來越好。

此外，由于人工干擾對目的節(jié)點沒有任何影響，可以根據(jù)系統(tǒng)對安全性的要求，適當調整干擾功率使得中繼處的誤碼率控制在一定范圍。

仿真實驗

為了驗證本發(fā)明的性能，我們進行如下仿真：

仿真條件：天線N_t＝N_r＝N_j＝2，幀長F＝100，所有信道的統(tǒng)計參數(shù)都相同，服從零均值單位方差的復高斯分布，噪聲功率發(fā)送端采用QPSK調制，接收端均采用最大似然譯碼，然后通過式(6)求得中繼節(jié)點發(fā)送的矩陣Q及干擾預處理矢量p。

仿真結果：圖2給出了不同功率干擾下，不可靠中繼節(jié)點和目的節(jié)點處誤比特率隨信噪比變化的曲線。從圖2中可以看出，目的節(jié)點處的性能不受干擾功率的影響；而對于不可靠中繼節(jié)點，在干擾功率固定的情況下，隨著信噪比增大不可靠中繼節(jié)點處的BER會達到一個下界，通過增大干擾功率，不可靠中繼節(jié)點處的性能會進一步惡化。圖3給出了不同安全限制下，所需干擾發(fā)射功率的關系曲線，不同的安全限制對應不同的不可靠中繼節(jié)點處的解碼能力，系統(tǒng)安全性要求越高，不可靠中繼節(jié)點能達到的BER越大，由圖3可得，干擾功率與所要求BER呈現(xiàn)單調遞增，即要想獲得更高的安全性，就要付出更大的代價。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。