基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法技术

本发明专利技术公开了一种基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法，包括以下步骤：建立虚拟全双工中继系统模型，其中，所述虚拟全双工中继系统包括源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2，在信息传输过程中，半双工可信中继R1及半双工可信中继R2在前后时隙交替接收及转发信号，在虚拟全双工中继系统模型的主链路信道状态信息已知的条件下，设置信道状态对比门限t0，然后源节点S根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输，同时在整个传输的首尾时隙，分别利用半双工可信中继R2及源节点S发送干扰噪声，该方法能够保证信息传输的安全，抗窃听性能优良。

Secure virtual full duplex relay method based on channel state information for transmission encryption

The invention discloses a secure virtual full-duplex relay method for transmission encryption based on channel state information, including the following steps: establishing a virtual full-duplex relay system model, in which the virtual full-duplex relay system includes source node S, destination node D, semi-duplex trusted relay R1 and semi-duplex trusted relay R2; In the process of information transmission, half-duplex trusted relay R1 and half-duplex trusted relay R2 receive and transmit signals alternately in front and back slots. Under the condition that the channel state information of the main link of virtual full-duplex relay system model is known, the channel state contrast threshold t0 is set, and then the source node S is treated according to the channel state contrast threshold t0. The transmission of BPSK modulated signal W'is carried out after bit inversion encryption. At the same time, the interference noise is transmitted by semi-duplex trusted relay R2 and source node S in the whole transmission time slot. This method can ensure the security of information transmission and has good anti-eavesdropping performance.

【技术实现步骤摘要】
基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法
本专利技术属于物联网中无线中继网络的物理层安全领域，具体涉及一种基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法。
技术介绍
物联网(IoT)系统通过无线通信网络(WCN)可以将千千万万的子网络或节点互联在一起，进行实时信息交换。将发送子网或节点统一看作源节点，接收子网或节点统一看作目的节点。通常WCN连接的源节点与目的节点之间的距离很远，如果两者之间进行直接无线通信，需要消耗大量发射功率，同时对目的节点的接收也是一个巨大挑战。这就要引入无线中继网络(WRN)来解决远距离传输的难题。中继传输方法的诞生由来已久，其不仅在可靠性和速率方面具有很大潜力，而且还具有增强无线通信安全性的特点。在IoT中，一部分节点可以看作是协作通信中的中继节点，它们可以中间转发源节点向目的节点发送的信息。因此研究WRN的物理层安全技术对保障IoT的信息安全具有重要研究意义。目前，关于WRN物理层安全技术的研究，主要是基于对不同中继类型、不同中继转发模式进行分析和设计，以获得系统保密容量的提升。中继类型主要包括半双工中继和全双工中继，中继转发模式主要包括放大转发(AF)和译码转发(DF)。由于半双工中继技术易于实现，成本低廉，因此当前的中继协作网络多使用半双工中继，但是半双工中继不能避免频谱效率低这一不足。全双工中继的频谱效率高，但是其存在严重的自干扰问题，自干扰的消除自然成为其中的研究热点。AF是指中继节点直接转发接收到的模拟信号，而DF转发是指中继节点首先对接收到的信号译码，然后将数据重新编码发出。另一类文献介绍了新型的虚拟全双工中继系统，在该系统中，使用两个半双工中继在相邻时隙交替转发，构成了一个全双工中继。虚拟全双工中继系统既达到了半双工中继的结构简单易于实现的特点，又达到了全双工中继工作频谱利用率高的特点。现有考虑虚拟全双工中继场景下系统安全性能的文献分析了系统的安全容量和中断概率，并且在相同仿真环境下与半双工中继、全双工中继和全双工中继与人工噪声协作等三种方案做了对比，文献中提出的虚拟全双工中继方案获得了明显的性能提升。但不足之处在于该方案下的信息加密措施过于简单，信息传输的安全性较低，抗窃听性能并没有达到绝对安全，还有很大提升空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法，该方法能够保证信息传输的安全，抗窃听性能优良。为达到上述目的，本专利技术所述的基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继传输方法包括以下步骤：建立虚拟全双工中继系统模型，其中，所述虚拟全双工中继系统包括源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2，在信息传输过程中，半双工可信中继R1及半双工可信中继R2在前后时隙交替接收及转发信号，在虚拟全双工中继系统模型的主链路信道状态信息已知的条件下，设置信道状态对比门限t0，然后源节点S根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输，同时在整个传输的首尾时隙，分别利用半双工可信中继R2及源节点S发送干扰噪声。根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输的具体操作为：在奇数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R1的信道状态|hSR1|对待发送BPSK调制信号w′进行加密，得加密后的信息x，然后将加密后的信息x发送至半双工可信中继R1中；在偶数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R2的信道状态|hSR2|对待发送BPSK调制信号w′进行加密，得加密后的信息x，然后将加密后的信息x发送至半双工可信中继R2。在奇数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R1的信道状态|hSR1|对待发送BPSK调制信号w′进行加密的具体操作为：当|hSR1|≥t0，则x＝w′；当|hSR1|＜t0，则x＝-w′。在偶数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R2的信道状态|hSR2|对待发送BPSK调制信号w′进行加密的具体操作为：当|hSR2|≥t0，则x＝w′；当|hSR2|＜t0，则x＝-w′。步骤3)的具体操作为：在初始时隙，源节点S向半双工可信中继R1发送信息，半双工可信中继R2广播发送干扰噪声jR；在最后一个时隙，半双工可信中继R2对前一个时隙接收到的信息进行译码，并将译码后的信息转发至目的节点D中，同时源节点S广播发送干扰噪声jS。虚拟全双工中继系统总的保密容量CS为：其中，PS为源节点S的发送功率；PR为半双工可信中继的发送功率；hij为第i个节点到第j个节点的无线衰落信道；为节点k处的高斯白噪声，[x]+为在0和x二者之间取最大值的运算；利用二维贪婪搜索的方法求解式(11)，得源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2的最优发送功率PS1,PS2,PR1及PR2，在整个信息传输的过程中，源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2均以最优发送功率进行信号的发送。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法在具体操作时，在信息传输的过程中，半双工可信中继R1及半双工可信中继R2在前后时隙交替接收及转发信号，同时源节点S在信息发送的过程中，源节点S根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输，以提高信息加密的可靠性。另外，在整个传输的首尾时隙，分别利用半双工可信中继R2及源节点S发送干扰噪声，保证首尾时隙信号的安全性，使得窃听节点的误码性能达到最差，保证信息传输的安全性，提高系统的抗窃听性能。附图说明图1为本专利技术中安全虚拟全双工中继系统奇数时隙的传输模型图；图2为本专利技术中安全虚拟全双工中继系统偶数时隙的传输模型图；图3为仿真实验中不同方案中系统保密容量随信噪比的变化图；图4为仿真实验中在等功率分配下不同方案中各节点误码率随信噪比的变化图；图5为仿真实验中本专利技术中功率分配的示意图；图6为仿真实验中本专利技术中最优功率分配下各节点误码率随信噪比的变化图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1及图2，本专利技术所述的基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继传输方法包括以下步骤：构建虚拟全双工中继系统模型，其中，所述虚拟全双工中继系统包括源节点S、目的节点D、半双工可信中继节点R1及半双工可信中继节点R2，同时还存在窃听节点E，其中，源节点S、目的节点D、半双工可信中继节点R1及半双工可信中继节点R2均配备单根天线，半双工可信中继节点R1及半双工可信中继节点R2均为可信中继，且均采用译码转发的工作方式，窃听节点E可以在每个时隙窃听到源节点S和中继节点R发送的信号，假设源节点S与目的节点D之间没有直连信道，源节点S仅通过中继信道与目的节点D进行信息传输。系统中所有信道均是相互独立的瑞利块衰落信道，并且假设其信道状态信息(CSI)都是已知的，设定源节点S的发射功率为PS，加密发送前的原始信号为w′，加密后的信号为x，中继节点R的发射功率为PR，中继节点R译码转发的信号为w，hij为节点i到节点j的信道，节点K处的噪声记为nk，nk服从均值为零，方差为的高斯白噪声，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继传输方法，其特征在于，包括以下步骤：建立虚拟全双工中继系统模型，其中，所述虚拟全双工中继系统包括源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2，在信息传输过程中，半双工可信中继R1及半双工可信中继R2在前后时隙交替接收及转发信号，在虚拟全双工中继系统模型的主链路信道状态信息已知的条件下，设置信道状态对比门限t0，然后源节点S根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输，同时在整个传输的首尾时隙，分别利用半双工可信中继R2及源节点S发送干扰噪声。

【技术特征摘要】
1.一种基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继传输方法，其特征在于，包括以下步骤：建立虚拟全双工中继系统模型，其中，所述虚拟全双工中继系统包括源节点S、目的节点D、半双工可信中继R1及半双工可信中继R2，在信息传输过程中，半双工可信中继R1及半双工可信中继R2在前后时隙交替接收及转发信号，在虚拟全双工中继系统模型的主链路信道状态信息已知的条件下，设置信道状态对比门限t0，然后源节点S根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输，同时在整个传输的首尾时隙，分别利用半双工可信中继R2及源节点S发送干扰噪声。2.根据权利要求1所述的基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法，其特征在于，根据信道状态对比门限t0对待发送BPSK调制信号w′进行比特反转加密后传输的具体操作为：在奇数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R1的信道状态|hSR1|对待发送BPSK调制信号w′进行加密，得加密后的信息x，然后将加密后的信息x发送至半双工可信中继R1中；在偶数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R2的信道状态|hSR2|对待发送BPSK调制信号w′进行加密，得加密后的信息x，然后将加密后的信息x发送至半双工可信中继R2。3.根据权利要求2所述的基于信道状态信息进行传输加密的安全虚拟全双工中继方法，其特征在于，在奇数时隙时，源节点S根据源节点S至半双工可信中继R1的信道状态|hSR1|对待发送BPSK调制信号w′进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国梅，孙浩，李国兵，吕刚明，朱瑞芳，孟伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61