[发明专利]一种信道安全传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术，特别地涉及存在中继时的物理层安全通信技术。

背景技术

随着无线通信技术的发展，基于物理层的信息安全技术已经成为了无线通信和信息安全领域的研究热点。有效利用无线通信系统的物理层资源，研究基于物理层资源的信息安全技术，探索能够有效提高无线通信系统安全性的新方法，具有深远的理论意义和实际应用价值。

无线通信的广播特性，使得信息在传输过程中容易被窃听者窃取。传统的，在上层设计一些密码协议来提供安全通信，但是密钥的分配和管理需要很大的代价，而且容易受到攻击，所以研究的重点就转移到了物理层的安全保障问题。其主要目的是利用物理层的特性，提供安全通信。窃听信道模型是指信源节点向合法接收节点传输消息的时候，受到其它节点的窃听。最简单的窃听信道模型是三节点模型，即一个发送节点S，一个合法接收节点D和一个窃听节点E，各节点配备单天线。研究证明在这种模型下，只有当S—D之间的信道条件比S—E之间的信道条件好时，合法接收节点才能获得大于0的安全速率，因此这种三节点模型受信道条件影响较大，所以就提出了多天线模型来改善S—D之间的信道质量，同时恶化S—E之间的信道质量。但是考虑到在实际应用中，由于各节点受尺寸和成本的限制，节点无法配备多天线。这种情景下，通过配备单天线的多中继协作可以有效获得多天线带来的增益。

中继协作通信作为物理层安全技术的一项分支，在蜂窝移动网络、无线自组织网络、无线传感器网络等多种主流无线网络中都有非常广阔的应用前景。常见的中继协议主要有以下几种：

放大转发(Amplify-and-Forward,AF)：它是最简单的中继协议。对于接收到的夹杂噪声的信源信号，中继只是简单地将其放大并转发给目的节点，不做其它处理。

译码转发(Decode-and-Forward,DF)：中继首先对收到的信源信号进行译码，然后再将译出的信息重新编码后发给目的节点。这样做的目的是去除中继节点处噪声的影响。

协同干扰(Cooperative Jamming,CJ)：在信源传送消息的同时，中继各节点传输与信源消息独立的加权噪声信号来干扰窃听节点。

近年来，利用多中继节点协作增强物理层安全性受到了很大重视。一般地有两种方式：一种是中继节点协作改善S—D之间的信道质量；另一种是中继节点采用协同干扰以干扰窃听节点的接收信息，恶化S—E之间的信道质量。

目前关于协作中继抗窃听的实现方式中，通常有三种方式：

(1)各个中继节点均采用中继协作转发信源信息(即AF或者DF转发方式)；

(2)各个中继节点均采用协同干扰(CJ)以干扰窃听节点的接收；

(3)部分中继节点采用中继协作转发信源信息，部分中继节点采用协同干扰以干扰窃听节点的接收。

现有研究中，仅在DF转发方式下获得了系统的最优安全速率，而在AF或CJ策略下，仅能确定系统的次优安全速率，因此对基于协同干扰实现中继抗窃听的方案，有待于进一步提高其可行的安全速率，提升系统资源的利用率。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种每个中继节点在协作转发信号的同时，发送人工噪声的传输方法，从而提升系统的传输安全速率。

本发明的信道安全传输方法包括下列步骤：

预处理步骤：

确定各中继节点关于信源节点S的传输权重因子v和人工噪声n_J：

步骤101：任意指定一个接收节点D，源节点S向各中继节点广播发送训练序列信息，中继节点向接收节点传输所接收到的训练序列信息；

基于当前信息反馈，确定源节点S到中继节点的信道矢量h_SR，中继节点到接收节点的信道矢量h_RD，各中继节点的噪声方差接收节点的噪声方差为

基于当前信道监测信息，确定各窃听节点E_m的总个数M，其中m＝1,…,M；各中继节点到窃听节点E_m的部分信道信息以及各窃听节点的噪声方差

步骤102：根据公式确定窃听节点接收信号信噪比上界τ的最大值，其中P_S表示信源节点S的发送功率P_S，P_R表示所有中继节点的总功率；矩阵I表示单位矩阵；矩阵h＝diag{h_SR}h_RD，符号diag{·}表示关于括号中的矩阵的对角线矩阵，矩阵h^H为矩阵h的共轭转置矩阵，