[发明专利]协同单载波频域均衡系统及其物理层安全传输方法

说明书

本发明涉及协同单载波通信领域，尤其涉及一种能够提高该系统安全性的频域均衡系统以及其物理层安全传输方法。本发明可应用于放大转发多中继多目的多窃听的场景，先由每个中继节点分别比较选择出自己最佳服务的目的节点，然后各中继节点分别计算各自对应的安全容量因子并分别反馈给源节点。源节点通过比较该安全容量因子，即可最终筛选出全局最优的中继节点和目的节点的通信链路。由于分布式的计算方式，本发明能够充分利用系统中全部的信道状态信息对整个通信链路进行全局的比较，从而在降低系统开销的同时筛选出全局最优的中继‑目的节点对，实现最大安全容量信息传输。

技术领域

本发明涉及协同单载波通信领域，尤其涉及一种提高协同单载波通信安全性的方法及相应系统。

背景技术

无线宽带通信的广泛运用，给人民生活带来了巨大便利，其中，单载波频域均衡技术在短波、毫米波等通信系统中有着重要应用。无线通信广播式的传播方式以及开放的网络架构导致信号在传播时处于暴露状态，增加了数据被窃取的危险。随着越来越多的个人信息通过这种无处不在的无线连接在空中传播，无线通信的安全性能也引起人们越来越多的关注。在传统的通信中，数据传输的安全服务由上层协议中加解密技术提供。然而，频繁的密钥的分发和管理在无线通信系统中开销巨大，尤其是在通信节点众多、信息交互频繁的网络系统中，更高级别的安全服务往往更为繁杂并且需要更大的能耗代价，这对于移动终端而言是难以接受的。

近来，物理层安全技术吸引着众多研究者的关注。A.D.Wyner在“The wire-tapchannel.Bell Syst.Tech.J.,Jan.1975,pp.1355-1387.”中指出：当主链路的信道容量比窃听链路的信道容量更大时，数据可实现安全传输。以此为出发点，物理层安全技术，以信息论为理论基础，利用无线信道的物理层特性，通过适当的信道编码即可提供安全的数据传输，限制窃听者能够提取的信息。具体而言，物理层安全技术，主要利用信道差异性，通过增大主链路(源节点和目的节点间信道)的信道容量，并同时尽可能降低窃听链路(源节点和窃听节点间信道)的信道容量，以使得系统获得更大的安全容量。

具体至协同通信系统，一方面，其更为开放的网络结构使得系统更容易受窃听攻击；另一方面，协同通信系统中更为丰富的物理层资源可以为物理层安全技术提供更好的支撑，提高系统安全性能。

物理层安全技术与协同无线网络相结合，可在利用协同技术实现网络覆盖、频谱效率和无线通信系统容量的扩展的同时，进一步的提高信息安全。

虽然，目前协同无线通信系统的物理层安全技术研究已经硕果累累。Wang Lifeng等人在“Security enhancement of cooperative single carrier systems,in IEEETransactions on Information Forensics&Security,vol.10,no.1,Oct.2015,pp.90-103”一文中，针对存在多窃听节点的多中继、多目的节点单载波频域均衡系统，提出了一种物理层安全技术。

但是，该技术仅能够在局部节点间实现对系统信息安全的优化：该技术首先以最小化窃听节点的接收信噪比为主要目标项，根据该目标选择适当的中继节点，再以该中继节点筛选能够实现最佳接收的目的节点，进行数据传输。该技术，虽然在一定程度上能够为系统提供更为良好的安全性能。但是，由于该方案在获知中继与目的节点、中继与窃听节点之间所有链路的CSI(Channel State Information，信道状态信息)时，均需要上传至源节点，并依赖于源节点的计算能力，因此，该方法对系统资源的消耗巨大。而且，该技术先利用窃听链路CSI选择中继，再利用主链路CSI选择目的节点，在两次选择中都仅考虑系统中局部的CSI，并不能获得全局最优的安全容量。该技术对系统全局安全容量的优化还需进一步提升。

因此，针对上述缺陷，本发明针对CSI完全已知的系统场景，设计一种新的中继-目的节点选择方案，在限制对系统性能的影响下，充分利用系统中全局的CSI，进一步提高系统的物理层安全性能。