一種物理層安全通信中的自適應協(xié)作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領域】，尤其涉及一種用于物理層安全的自適應協(xié)作技術(shù)。本發(fā)明通過對協(xié)作干擾中繼的轉(zhuǎn)發(fā)策略進行自適應的合理選擇，使信源與接收終端之間的安全傳輸速率最大化。本發(fā)明包括如下步驟：使用二進制的編碼方式，將協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式進行編碼；在集合中隨機產(chǎn)生Nset個范圍在[0,2Nre-1]的非負整數(shù)；對集合中的元素進行迭代重組，產(chǎn)生新的集合，直至選出使協(xié)作通信系統(tǒng)獲得最大安全速率的元素。本發(fā)明通過通過對協(xié)作中繼之間的狀態(tài)信息進行重新組合，保留可達安全速率高的中繼狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的最大安全可達速率。
【專利說明】一種物理層安全通信中的自適應協(xié)作方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信【技術(shù)領域】，尤其涉及一種用于物理層安全的自適應協(xié)作技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的幾十年，無線通信逐漸成為通信發(fā)展的前沿。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展， 基于物理層資源的信息安全技術(shù)已經(jīng)成為了無線通信和信息安全領域的研究熱點。物理層 通信的根據(jù)是信息論的觀點，其基本思想是利用無線信道的物理層特性來安全傳輸信息， 使得竊聽方不能獲得有效信息的前提下，合法接收方能夠成功接收信源所發(fā)出的通信內(nèi) 容。無線通信系統(tǒng)物理層資源的多樣性為物理層安全技術(shù)的研究提供了廣闊空間，也留下 了許多亟待解決的問題。無線通信系統(tǒng)的廣播特性使其容易受到安全威脅，并且無線通信 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的拓撲性與多樣性也給安全機制的實施帶來了困難。因此，探索如何有效利用無 線通信系統(tǒng)的物理層資源使無線通信系統(tǒng)安全性得到提高，具有深遠的理論意義和實際應 用價值。
[0003] 關(guān)于物理層安全最早的工作始于Wyner，他最早提出了竊聽信道模型，并提出在 不利用安全密鑰的前提下建立確保安全的通信連接的方法。Wyner證明了在竊聽信道差 于合法信道時，信源與接收方可以以一個非零的通信速率進行安全通信，即此時竊聽方完 全無法獲取正在通信的內(nèi)容。信息從信源到接收方安全傳輸?shù)乃俾式凶隹蛇_保密速率 (Achievable Secrecy Rate),最大的可達保密速率被稱為保密容量（Secrecy Capacity)。
[0004] 傳統(tǒng)的物理層安全通信的研究在單天線系統(tǒng)中因信道條件受到了阻礙。因為傳統(tǒng) 的物理層安全通信缺少反饋，或者在合法信道差于竊聽信道的情況下，保密速率通常為0。 通過利用多天線的優(yōu)勢，近年來一些工作突破了這些限制，比如多輸入多輸出（ΜΙΜΟ)，單輸 入多輸出（SIM0)和多輸入單輸出（MIS0)系統(tǒng)。然而由于開銷和規(guī)模的原因，多天線技術(shù) 的實用性收到很大限制?？蒲腥藛T經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點之間的協(xié)作技術(shù)使單天線的模型能夠像 多天線模型一樣的好處，而且實用性更好，所以將協(xié)作通信技術(shù)與物理層安全通信技術(shù)結(jié) 合起來具有更廣闊的前景。
[0005] 協(xié)作通信系統(tǒng)中的中繼節(jié)點通過三種轉(zhuǎn)發(fā)方式來提高可達保密速率，即譯碼轉(zhuǎn) 發(fā)，放大轉(zhuǎn)發(fā)和噪聲轉(zhuǎn)發(fā)。在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和放大轉(zhuǎn)發(fā)時，在通信過程中的第一跳，信源廣播 發(fā)送已編碼的信息到可信中繼節(jié)點。第二跳，譯碼轉(zhuǎn)發(fā)時，每個中繼首先對信息進行解 碼，然后重新編碼并將重編碼的信息乘上一個權(quán)值進行轉(zhuǎn)發(fā)；放大轉(zhuǎn)發(fā)時，中繼將從信源 收到的信息乘上適當?shù)臋?quán)值并進行轉(zhuǎn)發(fā)。對于噪聲轉(zhuǎn)發(fā)，在信源發(fā)送已編碼信息的同時， 中繼發(fā)送干擾信號來干擾竊聽節(jié)點。噪聲轉(zhuǎn)發(fā)的設計與系統(tǒng)中的中繼的數(shù)量有關(guān)，在經(jīng) 典四節(jié)點中繼竊聽模型中，由于只有一個中繼，其進行噪聲轉(zhuǎn)發(fā)時產(chǎn)生的人工噪聲是沒有 方向性的廣播噪聲，會對合法用戶和竊聽方同時造成干擾，此時噪聲轉(zhuǎn)發(fā)的設計就只與中 繼與合法用戶位置有關(guān)。而在使用噪聲轉(zhuǎn)發(fā)并有多個中繼的系統(tǒng)中，中繼之間通過相互 協(xié)作可以最大化降低噪聲對合法用戶的干擾，這種多中繼的噪聲轉(zhuǎn)發(fā)策略又稱協(xié)作干擾 (CJ, Cooperative Jamming)。在協(xié)作干擾方法中，發(fā)送方廣播秘密信號的同時，為了干擾竊 聽方的竊聽，中繼通過協(xié)作對所要發(fā)送的干擾信號進行預加權(quán)發(fā)送。如果在已知竊聽方信 道狀態(tài)信息時，則中繼聯(lián)合設計進行干擾信號波束成型，朝向竊聽方發(fā)送，以此最大化抑制 竊聽方的竊聽。
[0006] 放大轉(zhuǎn)發(fā)可以提高合法端鏈路信道質(zhì)量，從而增強了系統(tǒng)的安全性；而發(fā)送人工 噪聲，即噪聲轉(zhuǎn)發(fā)，則通過惡化竊聽端信道質(zhì)量，增強系統(tǒng)的安全性。兩種傳輸策略通過互 補的方式，可以同時提高了安全性。因此將放大轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作干擾技術(shù)結(jié)合起來，可以進一步 提高系統(tǒng)的安全性能。
[0007] 在基于協(xié)作干擾的多中繼系且中繼節(jié)點僅可用作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點或者人工噪聲發(fā)送節(jié) 點的系統(tǒng)的物理層安全通信中，如何安排每一個中繼的轉(zhuǎn)發(fā)策略，使系統(tǒng)獲得更高的保密 容量，是基于多節(jié)點協(xié)作的物理層安全通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了提供基于協(xié)作干擾的物理層安全通信中的安全性能，通過對 協(xié)作干擾中繼的轉(zhuǎn)發(fā)策略進行自適應的合理選擇，使信源與接收終端之間的安全傳輸速率 最大化。
[0009] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供了一種用于物理層安全的選擇中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)策略的 方法，具體步驟如下：
[0010] S1、使用二進制的編碼方式，對協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式進行編碼，設所有放大轉(zhuǎn)發(fā)的 協(xié)作中繼為1，所有噪聲轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼為〇 ;
[0011] S2、隨機產(chǎn)生Nsrt個范圍在[0, 2NM-1]的正整數(shù)構(gòu)成初始狀態(tài)元素集合U(0)，初始 狀態(tài)元素集合U(0)中的元素符合均勻分布，所有元素的二進制展開長度為協(xié)作中繼的個 數(shù)Nre，二進制串的每一位代表協(xié)作中繼當前采用的轉(zhuǎn)發(fā)方式；
[0012] S3、將S2所述集合U(0)中的元素進行變換，產(chǎn)生新的元素，加入集合U(l)，所述集 合u(l)為第一次迭代產(chǎn)生的集合，具體為：
[0013] S31、將S2所述集合U (0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高的 三分之一元素加入集合U(l);
[0014] S32、將S2所述集合U (0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高的 三分之二元素各自兩兩配對，進行重組，重組的方式為將元素對應的二進制串均勻交叉，重 組后得到的元素加入集合U(l);
[0015] S33、將S2所述集合U(0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高 的三分之一元素中的每一個元素對應的二進制串的任意一位取反，得到的元素加入集合 U(l)；
[0016] S4、重復S3進行多次變換，直至第T次變換，然后從集合U(T)中選擇出使協(xié)作通 信系統(tǒng)獲得最大安全速率的元素，此元素所對應的協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式即為當前環(huán)境下協(xié) 作中繼最合理的轉(zhuǎn)發(fā)方式。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 協(xié)作通信系統(tǒng)中，因為多種因素的影響，難以通過一種因素來判斷某個中繼適宜 于放大轉(zhuǎn)發(fā)或者是發(fā)送人工噪聲，本發(fā)明通過通過對協(xié)作中繼之間的狀態(tài)信息進行重新組 合，保留可達安全速率高的中繼狀態(tài)。若當前的某個中繼適宜于放大轉(zhuǎn)發(fā)所接收的信號，那 么對應的二進制狀態(tài)為1的元素更有可能被迭代到下一集合，反之亦然。通過本發(fā)明方法， 使每一個中繼節(jié)點選擇適當?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)方式，從而提高了系統(tǒng)的最大安全可達速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明算法示意圖。
[0020] 圖2為二進制交叉組合示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合實施例和附圖，詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0022] S1、使用二進制的編碼方式，將協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式進行編碼，設所有放大轉(zhuǎn)發(fā)的 協(xié)作中繼為1，所有噪聲轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼為〇,如圖1所示中繼節(jié)點的一種狀態(tài)，此時協(xié)作中 繼的狀態(tài)為10,即S = 1010,第一個中繼和第三個中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式為放大轉(zhuǎn)發(fā)，第二個中繼和 第四個中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式為噪聲轉(zhuǎn)發(fā)；
[0023] S2、在集合U(0)中隨機產(chǎn)生Nsrt個范圍在[0,2te_l]的非負整數(shù)，所述集合U(0) 中的元素符合均勻分布，所述集合U(0)中的元素二進制展開的長度為協(xié)作中繼的個數(shù) Nre，二進制串的每一位代表協(xié)作中繼當前采用的轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中，集合U (0)為初始狀態(tài)的 元素的集合；
[0024] S3、將S2所述集合U(0)中的元素進行變換，產(chǎn)生新的元素，加入集合U(l)，所述集 合U(l)為第一次迭代產(chǎn)生的集合，具體為：
[0025] 步驟S3對每代集合中元素進行變換的具體過程如下：
[0026] S31、將S2所述集合U (0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高的 三分之一元素加入集合U (1)。
[0027] S32、將S2所述集合U(0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高的 三分之二元素各自兩兩配對，進行重組，重組的方式為將元素對應的二進制串均勻交叉，重 組后得到的元素加入集合U (1)。假設配對的兩個元素對應的二進制狀態(tài)為&和S2，令S3 = 000. .. 111，S4= 111... 000(0和1的個數(shù)分別是二進制串位數(shù)，即中繼個數(shù)的一半），交叉 組合生成的狀態(tài)snew= (Si&S3)&(S2&S4)將被加入下一代集合。圖2描述了交叉變換的實際 過程，表示狀態(tài)I和狀態(tài)II分別將自身二進制串拆分為兩部分進行重新組合；
[0028] S33、將S2所述集合U(0)中元素的安全速率進行降序排列，選取安全速率最高 的三分之一元素中的每一個元素對應的二進制串的任意一位取反，得到的元素加入集合 U⑴。
[0029] S4、重復S3進行多次迭代，直至迭代到T次，即從集合U(T)中選擇出使協(xié)作通信 系統(tǒng)獲得最大安全速率的元素，此元素所對應的協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式即為當前環(huán)境下協(xié)作 中繼最合理的轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中，每次迭代的基礎為上一次迭代產(chǎn)生的新集合。
[0030] 為了便于對實施例的理解，對協(xié)作中繼個數(shù)為6的情況進行仿真。此時系統(tǒng)還包 括一對信源與合法用戶，以及一個竊聽方。
[0031] 協(xié)作中繼的總功率為20dB,每代集合元素的個數(shù)為8,迭代次數(shù)為8 次，初代集合中的元素為{23, 48, 40, 49, 59, 62, 12, 8}，對應的二進制編碼串為 {010111，110000, 101000, 110001...
[0032] 001100, 000100}，其中二進制編碼串為1的表示該中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式為放大轉(zhuǎn)發(fā)，二 進制編碼串為〇的表示該中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式為噪聲轉(zhuǎn)發(fā)。初代集合中每個協(xié)作中繼的狀態(tài)對 應的可達最大保密速率分別為{4. 4897, 4. 5076, 4. 7647…4. 1147, 2. 9462}(單位：bit/s/ Hz)。
[0033] 通過對初代集合中的元素進行變換，得到通過選擇變換選取的新元素為 {62, 59, 49}，這一部分元素是上一代集合中對應可達保密速率較大的狀態(tài)，各個中繼的轉(zhuǎn) 發(fā)方式比其它的狀態(tài)具有更大的合理性。
[0034] 通過對初代集合中的元素進行交叉變換，得到下一代集合選取的新元素為 {62, 41，16}，62由62與59均勻交叉所得，41由49與40交叉所得，16由48與23交叉所 得。通過對上一代可達保密速率較大的狀態(tài)進行重新組合，獲取新的協(xié)作中繼各元素對應 狀態(tài)，倘若該狀態(tài)比用于組合的元素能獲得更高的可達保密速率，則可以迭代進入下一代 集合，倘若該狀態(tài)對應的結(jié)果并不理想，在迭代的過程中也會很快被淘汰。
[0035] 通過對初代集合中的元素進行取反變換，得到下一代集合選取的新元素為 {57, 41}，57由48的第四位取反所得，41由40的第6位取反所得。此變換有利于為迭代過 程產(chǎn)生新元素，減小迭代陷入局部最優(yōu)的可能性。
[0036] 最后，通過迭代過程得到的最優(yōu)解是62,最大可達安全速率為5. 6865bit/s/Hz, 即第6個中繼發(fā)送干擾噪聲，其他的中繼轉(zhuǎn)發(fā)信源發(fā)出的信號。
[0037] 所以，通過此自適應算法使協(xié)作中繼系統(tǒng)中的每一個節(jié)點選擇了適宜于當前環(huán)境 的轉(zhuǎn)發(fā)方式，提高了最大可達安全速率，增強了系統(tǒng)安全性能。
[0038] 在物理層安全通信中，在中繼數(shù)目較少，中繼功率較低的時候，協(xié)作中繼傾向于轉(zhuǎn) 發(fā)信源發(fā)出的信號，在中繼數(shù)目較多的時候，協(xié)作中繼傾向于發(fā)送人工噪聲以干擾竊聽方 的接收，通過自適應算法所得出的結(jié)論與實際情況是一致的。在協(xié)作中繼數(shù)目較多的場景， 每個中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式難以直接確定的時候，本發(fā)明更加具有實用性。
[0039] 本發(fā)明在較低復雜度的情況下，提供了一種可有效提高系統(tǒng)安全速率的自適應協(xié) 作技術(shù)。
[0040] 本領域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)上 述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種物理層安全通信中的自適應協(xié)作方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 使用二進制的編碼方式，將協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式進行編碼，設所有放大轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作 中繼為1，所有噪聲轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)作中繼為0 ; 52、 在集合U(0)中隨機產(chǎn)生Nsrt個范圍在[0,2ΝΜ-1]的非負整數(shù)，所述集合U(0)中的 元素符合均勻分布，所述集合U(0)中的元素二進制展開的長度為協(xié)作中繼的個數(shù)Nre，二 進制串的每一位代表協(xié)作中繼當前采用的轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中，集合U(0)為初始狀態(tài)的元素的 集合； 53、 將S2所述集合U (0)中的元素進行迭代，產(chǎn)生新的元素，加入集合U (1)，所述集合 U(l)為第一次迭代產(chǎn)生的集合，具體為： 531、 將S2所述集合U(0)中對應可達安全速率最高的三分之一元素加入集合U(l); 532、 將S2所述集合U(0)中對應可達安全速率最高的三分之二元素各自兩兩配對， 進行重組，重組的方式為將元素對應的二進制串均勻交叉，重組后得到的元素加入集合 U(l)； 533、 將S2所述集合U (0)中對應安全速率最高的三分之一元素中的每一個元素對應的 二進制串的某一位取反，二進制串中的每一位取反的概率是相等的，得到的元素加入集合 U(l)； 54、 重復S3進行多次迭代，直至迭代到T-1次，即從集合U(T)中選擇出使協(xié)作通信系 統(tǒng)獲得最大安全速率的元素，此元素所對應的協(xié)作中繼的轉(zhuǎn)發(fā)方式即為當前環(huán)境下協(xié)作中 繼最合理的轉(zhuǎn)發(fā)方式，其中，每次迭代的基礎為上一次迭代產(chǎn)生的新集合。
【文檔編號】H04W12/00GK104093143SQ201410334726
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】張鐸, 陳智, 徐禹, 李玲香 申請人:電子科技大學