一种基于人工噪声的多中继非正交多址系统安全传输方案技术方案

本发明专利技术提出一种基于人工噪声的多中继非正交多址系统安全传输方案；传输系统包括源节点、两个用户、窃听节点和多个中继节点；本发明专利技术中，整个通信过程分为四个阶段：准备阶段、多中继解码阶段、中继选择阶段和用户解码阶段；系统通信分两个时隙完成：第一时隙，信源S将消息广播给所有中继节点，广播时采用消息映射策略，中继接收信号并进行解码；第二时隙，系统进行双中继选择，从可解码中继集合中选出最优中继转发用户信号，从不可解码中继集合中选出最优中继发送人工噪声；中继选择策略可以在保持多中继系统分集增益的同时，有效降低系统的复杂度和安全中断概率；人工噪声加扰可以进一步降低窃听端的信噪比，提高系统安全性能。

A Secure Transmission Scheme for Multi-Relay Non-Orthogonal Multiple Access System Based on Artificial Noise

The present invention proposes a secure transmission scheme of multi-relay non-orthogonal multiple access system based on artificial noise; the transmission system includes source node, two users, eavesdropping node and multiple relay nodes; in the present invention, the whole communication process is divided into four stages: preparation stage, multi-relay decoding stage, relay selection stage and user decoding stage; and the system communication is completed in two slots: In one slot, Source S broadcasts messages to all relay nodes. In broadcasting, message mapping strategy is used to relay received signals and decode them. In the second slot, the system chooses double relays to select the optimal relay transmission user signals from the decodable relay set and the optimal relay transmission artificial noise from the non-decodable relay set. The relay selection strategy can keep multiple relays. At the same time, the diversity gain of the system can effectively reduce the complexity of the system and the probability of security interruption. Artificial noise scrambling can further reduce the signal-to-noise ratio of eavesdropping terminal and improve the security performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工噪声的多中继非正交多址系统安全传输方案
本专利技术属于无线通信网络
，尤其涉及采用协作非正交多址接入技术的无线通信网络，本专利技术属于物理层安全领域。
技术介绍
在过去二十年中，移动通信技术经历了飞跃式发展。同时，智能终端普及带来的移动数据量的爆炸式增长，对无线通信网络的速率、时延、信号覆盖率等提出了更高要求。与传统正交多址接入技术相比，非正交多址接入技术由于其高带宽效率、高用户公平性、超高连接性和兼容性备受业界和学术界的广泛关注。协作通信技术不仅可以提高网络的覆盖率，同时由于接收端采用了分集技术，系统性能也可以得到显著提升。物理层安全无需密钥，利用无线信道的时变性加密通信系统，理论上可以实现信息传输的绝对安全。由于终端计算能力逐步增强，窃听器破解信息的能力也在逐渐提升。传统密码学在信息加密领域面临越来越大的压力。物理层安全以信息论为基础，在物理层实现信息安全，是通信领域非常有前景的加密方式。一般下行非正交多址接入通信网络模型如附图1所示。非正交多址接入的主要技术有两个：在发送端采用叠加编码将多个用户信息同时同频发送，在接收端采用串行干扰消除技术来确保在给定资源(例如时间/频率)内可以服务多个用户。串行干扰消除的基本步骤是：1.首先在叠加信号中解出信道条件最差的用户的信号(在非正交多址接入系统中，给该用户发送信号的功率最强)；2.从叠加信号中删除该信号；3对于信道条件次差的用户执行同样的步骤，以此方法逐个解出所有用户的信号。协作通信技术不仅可以提高网络的覆盖率，同时由于接收端采用了分集技术，系统性能也可以得到显著提升。协作通信与非正交多址接入技术的结合可以进一步提升非正交多址接入通信系统的性能。如附图2所示：常见的非正交多址接入协作通信系统主要有两种架构：1.专用中继系统，源节点与目的节点之间由于深度衰落的存在不能直接通信，因此设立专用中继，为两个用户转发基站的消息；2.用户协作，由于强用户需要先解码弱用户信号，因此强用户可通过短距离通信(如蓝牙、WiFi等)将信息转发给弱用户。这种协作方式可以减轻系统冗余度，提高分集增益。常用的中继协议有两种：放大转发协议和解码转发协议。本专利技术主要针对解码转发中继系统。物理层安全是基于信息论的安全理论。它利用无线信道的时变性，结合信道编码和加密技术保证信息不被窃听者破译。C.E.Shannon于1945年在经典文献(参见文献[1]：ShannonCE.Communicationtheoryofsecrecysystems[J].TheBellSystemTechnicalJournal,1949,28(4):656-715.)中从信息论的角度证明：要实现消息的绝对安全，通信过程必须使用“一次一密”的加密方法，即一比特数据应有一比特密钥。该条件过于严苛，在工程领域很难应用。A.Wyner于1975年在Shannon研究的基础上首次建立含噪声的窃听信道模型(参见文献[2]：WynerAD.Thewire-tapchannel[J].TheBellSystemTechnicalJournal,1975,54(8):1355-1387.)，如附图3所示。Wyner证明：当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时，信源和合法接收端进行信息传输时，一定存在一种编码方式，可使传递信息错误的概率达到任意小，此时窃听端无法获知任何有用信息，系统达到绝对安全。经过几十年的发展，物理层安全理论逐渐成熟。采用物理层安全实现无线通信系统的安全传输越来越成为学术界和业界研究的热点。系统物理层安全的衡量指标主要有遍历保密容量和安全中断概率等，其中，安全中断概率指系统的瞬时安全容量小于给定门限值的概率，数学表达式为：式中，γD和γE表示目的端和窃听端的信噪比，Rs表示安全速率阈值，FD(x)表示主信道信噪比的累积分布函数。f(γE)表示γE的概率密度函数。基于非正交多址接入、协作通信和物理层安全理论结合构建的下行协作通信系统，将在追求高速率、大融合、大连接的5G时代展现出巨大的应用前景。
技术实现思路
(一)本专利技术解决的问题针对下行协作多中继非正交多址接入系统两跳传输中可能存在窃听者的系统安全问题，本专利技术提供了一种人工加扰的多中继协作非正交多址接入系统安全传输方案。采用双中继选择策略，在保持多中继通信网络的分集增益的同时，有效降低系统的复杂度；同时有效干扰窃听端，确保非正交多址接入系统的安全传输。(二)本专利技术的技术方案如附图4所示，本专利技术实施例所述通信系统共包含K+3个节点，其中K为半双工中继节点R的个数，且满足K≥1。此外系统还包含源节点S，两个用户节点U1和U2(其中，U1和U2分别表示强用户和弱用户)，窃听节点E。源节点S与两用户U1和U2之间由于深衰落不存在直传链路，通信需要多中继辅助，所有节点均配备单天线。信道功率增益以表示，其中表示发送端，表示接收端。假设所有信道均服从独立同分布的Nakagami-m衰落。因此源节点υ和目的节点l间链路的信道增益的概率密度函数和累积分布函数可表示为：其中，Γ(·)是伽马函数。表示值为正整数的衰落系数，表示平均信道功率增益。为了简化分析，假定两跳链路均为独立同分布。亦即且本专利技术实施例基于物理层安全技术，考虑多中继下行非正交多址接入系统中两个用户安全容量的相关性。公开了一种人工加扰的多中继协作非正交多址接入系统安全传输策略，该策略的核心是基于物理层安全技术进行的最优安全中继选择，该策略具体实施步骤如下：步骤S1：系统初始化。源节点先向下行多中继非正交多址接入系统广播训练序列。本步骤有两个目的：(1)估计主信道的信道状态信息，包括S-Rk,k∈[1:K]，Rk-Ui,i∈{1,2}的各路信道状态信息；(2)估计窃听信道的信道状态信息。即Rk-E信道的信道状态信息。各链路信道状态信息的获取可通过监测各端口的传输或采用一些复杂的信道估计算法实现，具体方法(参见相关文献[3]ZouY,ZhuJ,WangX,etal.Improvingphysical-layersecurityinwirelesscommunicationsusingdiversitytechniques[J].IEEENetwork,2015,29(1):42-48.)文中不再赘述。步骤S2：第一时隙，信源S通过消息映射策略(参见文献[4]：XuP,YangZ,DingZ,etal.Optimalrelayselectionschemesforcooperative非正交多址接入[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2018,67(8):7851-7855.文中从略)将广播信号叠加，叠加信号可以表示为：W1×W2→W0，其中“×”表示笛卡尔乘积，Wj是Wj,j＝0,1,2的有限码簿。通过训练序列，所有节点均可解码采用消息映射策略发送的信息。因此第一时隙有R0＝R1+R2恒成立，其中Ri为消息Wi,i＝0,1,2的数据速率；步骤S3：第二时隙，中继接收到信源S的广播信息，第k个中继接收到的信号为：其中，PS是基站功率，s0表示叠加信号的码字，表示方差为δ2的加性高斯白噪声。随后中继采用解码转发协议解码转发信源的广播信息；步骤S4：建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工噪声的多中继非正交多址系统安全传输方案，其特征在于双中继选择和人工加扰策略：即在可解码中继中选择最优中继转发信号，在不可解码中继中选择最优中继发送人工噪声，具体实施流程如下：步骤S1：系统初始化；在多中继下行非正交多址接入系统中发送训练系列，通过信道估计算法估计各个信道的信道状态信息，获得第m个中继到U1、U2和E的信道增益分别为：

【技术特征摘要】
1.一种基于人工噪声的多中继非正交多址系统安全传输方案，其特征在于双中继选择和人工加扰策略：即在可解码中继中选择最优中继转发信号，在不可解码中继中选择最优中继发送人工噪声，具体实施流程如下：步骤S1：系统初始化；在多中继下行非正交多址接入系统中发送训练系列，通过信道估计算法估计各个信道的信道状态信息，获得第m个中继到U1、U2和E的信道增益分别为：同时，训练序列使中继和目的节点获知消息映射策略信息；步骤S2：第一时隙，基站根据非正交多址接入基本原理，基于叠加编码并采用消息映射策略向所有K个中继发送叠加信号；步骤S3：第二时隙，解码转发中继接收信号并解码，此后采用双中继选择向用户端转发消息并加噪；步骤S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷宏江，杨子轩，任智，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50