[发明专利]一种基于安全协作NOMA网络的中继选择方法

权利要求书

1.一种基于安全协作NOMA网络的中继选择方法，其特征在于：含有以下步骤：

步骤一：对安全协作NOMA通信场景建立系统模型；安全协作NOMA通信场景系统模型包含一个源节点S，N个中继节点，两个已配对的合法NOMA接收用户D₁和D₂以及一个非法窃听节点E；假设所有节点均配备单天线，并工作在单双工模式下，中继使用译码转发协议进行信息转发；假设用户D₁是远用户，用户D₂是近用户，两个用户的功率分配系数分别为α₁和α₂，根据NOMA的基本原理，α₁+α₂＝1，α₁＞α₂；用h_ij表示各个节点之间的信道系数，其中i∈(S,k)，j∈(k,D₁,D₂,E)，k,＝1,2,...,N，系统中的信道均经历准静态瑞利衰落，并相互之间独立，即在某一个传输时隙信道系数保持不变，在不同时隙之间相互独立变化；

步骤二：根据传统两阶段中继选择方法，确定系统的整个通信传输过程；传统两阶段中继选择方法下的通信传输过程分为如下分步骤：

步骤2.1：第一时隙源节点S将用户D₁的信号x₁和用户D₂的信号x₂叠加后广播发送至所有中继节点，此时中继接收到的信号为：

其中P_S表示源节点S处的发送功率，ω_k表示中继k处的高斯白噪声；

步骤2.2：传统两阶段中继选择方法确定最优的信息转发中继，含有以下分步骤：

步骤2.2(a)：第一阶段以用户D₁的目标保密速率R₁为标准建立一个子集合，具体如下：

其中表示中继k处解码信号x₁时的信干噪比，C₁表示用户D₁的保密容量，C_1，2表示用户D₂在解码信号x₁时的保密容量；

步骤2.2(b)：第二阶段从集合S_r中选出一个最优中继来最大化用户D₂的保密速率，具体如下：

其中表示中继k处解码信号x₂时的信干噪比，C₂表示用户D₂的保密容量；

步骤2.3：第二时隙，被选中的信息转发中继向合法用户转发保密信息，同时窃听用户也能窃取到该信号；所有合法用户利用串行干扰消除技术对信号进行解码，并假设极端情况下窃听用户能够直接解码用户的信号；

步骤三：引入协作干扰后确定一种新的中继选择方法；

在步骤二中额外再调度一个中继作为协作干扰源发送人工噪声来干扰窃听，确定最优的信息转发中继和协作干扰中继，其含有以下步骤：

步骤3.1：确定成功解码的中继集合；假设用户D₁和D₂的目标保密速率分别为R₁和R₂，和分别表示中继k在解码用户D₁和用户D₂时的信干噪比，首先确定在第一时隙成功解码两个合法用户信息的中继集合，即：

步骤3.2：选择最优信息转发中继；以中继与两个合法用户之间以及与窃听节点E之间的信道增益比值为标准从集合S_r中选择信息转发中继，具体如下：

步骤3.3：选择最优协作干扰中继；从剩下的N-1个中继节点中以中继与窃听节点E之间以及与两个合法用户之间的信道增益比值为标准，选出一个作为协作干扰源，具体如下：

步骤3.4：第二时隙存在一个协作干扰中继向合法用户和窃听用户发送人工噪声，合法用户D₁在解码自身信号时的信干噪比以及窃听节点解码用户D₁信号时的信噪比表示成如下：

其中P_r表示信息转发中继处的发送功率，P_J表示协作干扰中继处的发送功率；

步骤四：针对该中继选择方法的系统安全传输性能，以保密中断概率为指标推出理论表达式；确定系统的保密中断概率理论表达式，系统发生保密中断的事件有四种，分步求解如下：

步骤4.1：求出所有中继节点在第一时隙都不能同时成功解码两个用户的信息时事件发生的概率，即P(|S_r|＝0)；

步骤4.2：求出存在中继集合能同时成功解码两个用户的信息但第二时隙用户D₁的保密容量小于目标保密速率时事件发生的概率，即P(C₁＜R₁,|S_r|＞0)；

步骤4.3：求出存在中继集合能同时成功解码两个用户的信息且第二时隙用户D₁的保密容量满足自身目标保密速率，但用户D₂在进行串行干扰消除时无法成功地安全解码用户D₁的信息时事件发生的概率，即P(C_1，2＜R₁,C₁≥R₁,|S_r|＞0)；

步骤4.4：求出存在中继集合能同时成功解码两个用户的信息且第二时隙用户D₁的保密容量满足自身目标保密速率，用户D₂能够成功安全解码用户D₁的信息但用户D₂的保密容量不能满足自身目标保密速率时事件发生的概率，即P(C₂＜R₂,C_1，2≥R₁,C₁≥R₁,|S_r|＞0)；

步骤4.5：将上述四步所得到的保密中断概率表达式相加，得到最终的系统保密中断概率理论表达式；

步骤五：将该中继选择方法的理论保密中断概率值与实际值进行对比，验证理论分析正确性，并与传统中继选择方法进行性能对比。

2.根据权利要求1所述的基于安全协作NOMA网络的中继选择方法，其特征在于：所述步骤五将步骤四中的保密中断概率理论值与仿真实际值进行对比验证正确性，对中继选择方法与传统中继选择方法进行性能对比，其中包括最大-最小中继选择方法和两阶段中继选择方法，得出仿真对比结果图。