一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，公开了一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，对于每个中继节点来说，利用源节点‑中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点‑中继、中继‑窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大‑最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；利用接收的导频信号功率去代替信道增益，得出低复杂度中继选择方法，不需要计算源节点、窃听节点接收信噪比、计算源节点‑中继、中继‑窃听节点信道增益，大大简化了计算复杂度。同时通过仿真结果表明，本发明专利技术在性能上非常接近于最优中继选择方法。

【技术实现步骤摘要】
一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法
本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法。
技术介绍
协作中继通信系统可以扩大信号传输范围，在5G多层蜂窝无线网络中可以有效改善系统容量，近来成为一大研究热点。协作中继中的双向放大转发方式具有频谱效率高、计算复杂度低等优点，在点对点网络中有广泛的应用。最近，越来越多的研究人员利用中继选择方案去保护协作网络并且取得了良好的效果。但是，目前大多数的协作网络安全都是利用中继单向传输或者双向译码转发方式实现。利用双向放大转发的中继选择方案来保护物理层安全的方法还没有被深入研究。对于双向放大转发的中继选择方案，J.Chen等人在IEEETrans.onInformationForensicsandSecurity上发表的文章“Jointrelayandjammerselectionforsecuretwo-wayrelaynetworks”对于双向放大转发提出了几种协作中继联合协作干扰抗窃听方案，但是也提到了此种中继选择方案有两个缺点，一是协作干扰方法不一定有效甚至会反过来降低系统的安全性能，二是该方案需要信道状态信息(CSI)，计算复杂度较高。综上所述，现有技术存在的问题是：目前的双向放大转发的中继选择方法存在协作干扰方法不一定有效甚至会反过来降低系统的安全性能；需要信道状态信息，计算复杂度较高。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法。本专利技术是这样实现的，一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，本专利技术提出的低复杂度中继选择方法可用下式表示：上式中，γA、γB和γR分别表示各自节点发射功率与信道噪声方差的比值，和分别表示各信源节点到中继k的信道状态信息，和分别表示各信源节点接收到的来自中继k的接收导频信号功率。进一步，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法对于每个中继节点包括：首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；最后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出低复杂度中继选择方法。进一步，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法具体包括以下步骤：步骤一，计算信源接收信号的信道容量；步骤二，计算窃听节点接收信号的信道容量；步骤三，获得基于最优中继选择的抗窃听方法；步骤四，利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；步骤五，利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；步骤六，获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法。进一步，所述步骤四具体包括：(1)利用信源节点接收信噪比上限对信源接收信噪比进行缩放：(2)在高信噪比条件下，近似认为γR，γA，γB→∞，利用信噪比简化信源A、B信道容量：进一步，所述步骤五具体包括：(1)在高信噪比条件下，近似认为γR，γA，γB→∞，得到每个窃听节点接收信噪比上限：(2)由香农定理确定窃听节点信道容量：进一步，所述步骤六具体包括：(1)得到基于低复杂度中继选择的抗窃听方法：(2)利用信源接收信号导频模方均值去代替瞬时信道状态信息，可用下式表示：上式中，PA和PB分别表示各信源节点发射功率，N0表示噪声方差。(3)修正后的低复杂度中继选择方法可用下式表示：其中：本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法的协作中继通信系统。本专利技术的优点及积极效果为：对于每个中继节点来说，首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；然后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出本专利技术涉及的低复杂度中继选择方法，不需要像最优中继选择方案那样计算源节点、窃听节点接收信噪比，也不需要计算源节点-中继、中继-窃听节点信道增益，大大简化了计算复杂度。同时通过仿真结果表明，本专利技术在性能上非常接近于最优中继选择方法。本专利技术可以通过降低计算复杂度来提升系统功耗性能。最优中继选择方法需要集中式实施方式和所有潜在节点链接信道的瞬时状态信息，对于本系统其计算复杂度为Ο(KM)，需要消耗大量性能资源；在实际工作环境中，获得实时和窃听节点相关的瞬时信道状态信息甚至是不可能的。而本专利技术是以分布式实施，需要计算接收导频信号功率而不是信道估计，此外还不需要计算和窃听节点相关信息，对于本系统其计算复杂度为常数阶Ο(1)。本专利技术可以提高系统实时性，最优中继选择方法时间先验来获取估算信道信息需要K+M个时隙。其中K是中继节点数量，M是窃听节点数量。当窃听节点足够大时，系统延迟会非常高。而本专利技术基于时间先验信息只需要2个时隙，和中继、窃听节点数量均无关系。这就大大提高了系统的实时性。本专利技术的最优中继选择方法更适用于未来5G大规模中继网络；用于未来5G大规模网络传输。利用信噪比上限和接收导频信号功率简化信源、窃听节点信道容量，利用窃听节点信噪比上限去简化窃听节点信道容量。附图说明图1是本专利技术实施例提供的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的用于系统的结构示意图。图3是本专利技术实施例提供的与最优中继选择方法安全中断概率仿真对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法包括以下步骤：S101：计算信源接收信号的信道容量；S102：计算窃听节点接收信号的信道容量；S103：获得基于最优中继选择的抗窃听方法；S104：利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；S105：利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；S106：获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法。下面结合附图对本专利技术的应用原理作进一步的描述。参照附图2，本专利技术实施例提供的系统由两个信源节点、K个中继节点和M个窃听节点组成。所有节点均为单天线。所有中继用半双工放大转发协议工作。这里不考虑信源-窃听节点信道，该假设适用于中继节点分布于高原或者是天空中的飞行器，且信源和窃听节点处于无法直接相连的复杂陆地环境。因此在第一时隙，信源发送信号只被中继接收；第二时隙，中继将接收到的信号进行放大转发，被信源和窃听节点接收。仿真中，信道均为瑞利衰落信道。如果信源在发送信号的时候窃听节点保持静默，本专利技术很难知道窃听节点在第一时隙的接收信噪比。考虑到这种情况，本专利技术用信源-窃听节点信道状态信息均值去代替信源-窃听节点瞬时信道状态信息。(1)计算信源接收信号的信道容量：1a)计算信源接收信号的信噪比：1b)由香农定理确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述低复杂度中继选择方法为：

【技术特征摘要】
1.一种面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述低复杂度中继选择方法为：上式中，γA、γB和γR分别表示各自节点发射功率与信道噪声方差的比值，和分别表示各信源节点到中继k的信道状态信息，和分别表示各信源节点接收到的来自中继k的接收导频信号功率。2.如权利要求1所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法对于每个中继节点包括：首先利用源节点-中继之间的信道增益计算信源节点的信道容量；然后利用源节点-中继、中继-窃听节点之间的信道增益计算窃听节点信道容量；接着推导出基于最大-最小准则的最优中继选择方法；在最优中继选择方法基础上，利用接收信噪比上限去简化信源节点和窃听节点信道容量；最后利用接收的导频信号功率去代替信道增益，进而推导出低复杂度中继选择方法。3.如权利要求1所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法具体包括以下步骤：步骤一，计算信源接收信号的信道容量；步骤二，计算窃听节点接收信号的信道容量；步骤三，获得基于最优中继选择的抗窃听方法；步骤四，利用信源节点接收信噪比上限简化信源信道容量的计算；步骤五，利用窃听节点接收信噪比上限简化窃听节点信道容量的计算；步骤六，获得基于低复杂度中继选择的抗窃听方法。4.如权利要求3所述的面向5G大规模物理层安全的低复杂度中继选择方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：(1)利用信源节点接收信噪比上限对信源接收信噪比进行缩放：(2)在高信噪比条件下，近似认为γR，γA，γB→∞，利用信噪比简化信源A、B信道容量：5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：张沉思，田佩杰，葛建华，周雨辰，杜浩宇，郭宁宁，曹一丹，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61