一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略制造技术

一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，在单层蜂窝网络中，利用空闲用户发送协作干扰信号以提高无线通信网络的安全性，利用空闲用户和预订用户发送干扰信号两种协作干扰方式，当用户有安全传输需求时，向基站和网络发出安全传输请求，由基站依据收集到的空闲用户的位置信息，在所有空闲用户中做出选择，并通知选定的空闲用户协作发送干扰信号，与此同时，典型用户和其他预定用户在接收下行信号的同时发送干扰信号。本发明专利技术在基站能够获知空闲用户的位置信息的前提下，通过合理选择空闲用户参与协作干扰来获得更好的安全性能。本发明专利技术设计了一种合理实用的干扰选择策略，实现用户端物理层安全性能的增强。

A cooperative interference strategy for idle users in cellular networks based on interference selection

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略
本专利技术属于无线通信领域的信息安全技术，涉及物理层安全技术，提出了一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，通过合理选择空闲用户参与协作干扰从而获得更好的安全性能。
技术介绍
无线通信技术的快速发展给人们的生活带来了极大的便利，但是由于其固有的开放性特征，无线通信易受到外界的窃听，这给通信安全带来了严重的威胁。如何防止重要的信息不受非法窃听，保障通信的安全是通信领域研究的热点问题之一。当前的信息安全技术主要有两种[1]：一种是传统的基于密码学的安全策略，另一种是基于物理层安全技术的安全策略。传统的安全策略认为窃听者的计算能力有限，在有限的时间内无法对密码进行有效破译。但是随着大数据、云计算等大规模计算技术[2]的发展，窃听者的计算能力能够的到空前增强，导致加密方法面临较高的风险。而物理层安全技术基于信息论原理，在合理设计信道编码的基础上可以获得可靠的安全性，并且系统的通信安全不受窃听者计算能力的影响。物理层安全技术的概念在1949被首次提出[3]，[4][5]根据无线信道的不确定性研究了通信的系统安全容量。针对如何提升系统安全容量的问题，学界开展了大量研究[6]。其中，协作干扰技术是一种可以有效提升系统的安全性能的技术手段[7]。当前对于协作干扰技术的研究主要集中在点对点、点对多点的场景中。在蜂窝网络等存在大量并行通信节点的场景下，如何通过协作干扰技术提升网络整体的安全性能的研究仍然较为匮乏。针对存在大量通信节点的场景下，文献[8]首次提出使用协作干扰技术提升网络中合法用户的物理层安全性能。文中在分布式网络中提出利用空闲节点发送随机干扰信号的方法恶化窃听者端的信道质量，从而提升了网络的安全性能。但是由于[8]并没有设计合理的协作干扰用户选择策略，因而干扰节点在恶化窃听信道的同时，也严重影响了合法接收端的正常接收。文献[9]利用多天线的协作干扰节点发送本地零空间干扰信号，从而降低了对合法接收者的影响，代价是协作干扰节点必须是多天线，同时干扰节点必须能够获取合法接收者的信道状态信息，从而给网络带来大量的信息交互的开销。文献[10]提出了一种机会的协作干扰选择策略提升物理层安全性能，依据窃听者的位置信息选择参与干扰的协作节点，但是[10]假设网络中只存在一个窃听者，场景比较理想。文献[11]提出了一种基于信道方向信息(CDI)的干扰选择策略，只有干扰信道与合法信道CDI矢量垂直的干扰节点才能发送干扰信号。文献[12]利用信道增益信息(CGI)设计了一种基于阈值的干扰选择策略，只有与合法接收者之间的信道增益信息小于某一阈值的干扰节点才会激活并发送干扰信号。[11]和[12]干扰选择策略的出发点在于通过合理的干扰选择降低合法接收者端的干扰，但是利用的信道方向信息(CDI)和信道增益信息(CGI)实际上都只考虑了信道的小尺度衰落特性，而忽略了与节点位置相关的大尺度衰落特性。实际网络中，大尺度衰落很大程度上影响了信号的强度。文献[13]利用了节点位置信息，通过阈值方法在正在通信的合法用户周边设置保护区域，同时规定保护区域内的干扰节点不发送干扰信号，通过这种方法降低对合法接收端的干扰。本专利技术在蜂窝网络下设计了一种实用的基于干扰选择的空闲用户协作干扰策略，假设基站能够获知空闲用户的位置信息的前提下，网络能够通过合理选择空闲用户参与协作干扰来获得更好的安全性能。本专利技术的意义在于设计了一种合理实用的干扰选择策略，实现用户端物理层安全性能的增强。参考文献[1]BlochM,BarrosJ,RodriguesMRD,etal.WirelessInformation-TheoreticSecurity[J].IEEETransactionsonInformationTheory,2008,54(6):2515-2534.[2]邵晓慧,季元翔,乐欢.云计算与大数据环境下全方位多角度信息安全技术研究与实践[J].科技通报,2017,33(1):76-79.[3]WynerAD.TheWire-TapChannel[J].BellSyst.tech.j,1975,54(8):1355-1387.[4]CsiszarI,KornerJ.Broadcastchannelswithconfidentialmessages[M].IEEEPress,1978.[5]Leung-Yan-CheongS,HellmanME.TheGaussianwire-tapchannel[J].InformationTheoryIEEETransactionson,1978,24(4):451-456.[6]LiuY,ChenHH,WangL.PhysicalLayerSecurityforNextGenerationWirelessNetworks:Theories,Technologies,andChallenges[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2017,PP(99):1-1.[7]GoelS,NegiR.GuaranteeingSecrecyusingArtificialNoise.[M].IEEEPress,2008.[8]ZhouX,TaoM,KennedyRA.Cooperativejammingforsecrecyindecentralizedwirelessnetworks[C].IEEEInternationalConferenceonCommunications.IEEE,2012.[9]LuoSY,LiJY,PetropuluAP.Uncoordinatedcooperativejammingforsecretcommunication[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2013,8(7):1081-1090.[10]VilelaJP,BlochM,BarrosJ,etal.WirelessSecrecyRegionsWithFriendlyJamming[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2011,6(2):256-266.[11]WangC,WangHM,XiaXG,etal.UncoordinatedJammerSelectionforSecuringSIMOMEWiretapChannels:AStochasticGeometryApproach[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2015,14(5):2596-2612.[12]WangC,WangHM.Opportunisticjammingforenhancingsecurity:stochasticgeometrymodelingandanalysis[J].IEEETran本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，其特征是蜂窝网络中包括大量均匀分布的宏基站Φ

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，其特征是蜂窝网络中包括大量均匀分布的宏基站Φb，用户Φu，以及窃听者Φe，基站、用户和窃听者的密度分布记为λb、λu和λe，基站下行功率为Pb，考虑λu＞＞λb的情况，网络中所有节点均为单天线，用户均工作于全双工模式；利用空闲用户和预订用户发送干扰信号两种协作干扰方式进行通信，当用户有安全传输需求时，向基站和网络发出安全传输请求，由基站依据收集到的空闲用户的位置信息，在所有空闲用户中做出选择，并通知选定的空闲用户协作发送干扰信号，与此同时，典型用户和其他预定用户在接收下行信号的同时发送干扰信号；其中，将蜂窝网络中有安全传输需求的用户称为典型用户，将本小区和其他小区中与典型用户占用不同时隙的用户称为空闲用户，将其他小区中与典型用户占用同一时隙的用户称为预定用户。


2.根据权利要求1所述的一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，其特征是基站选择空闲用户的方法为：(1)空闲用户到基站的距离小于设定阈值Rb；(2)空闲用户到所有预定用户的平均干扰强度小于阈值τu；其中，用户的连接概率与Rb值和τu值成负相关，安全概率与Rb值和τu值成正相关，通过线性搜索的方法选择Rb值和τu值来满足用户的连接概率和安全概率的需求。


3.根据权利要求2所述的一种基于干扰选择的蜂窝网络中空闲用户协作干扰策略，其特征是通过以下方式分析典型用户的连接概率和安全概率，来选择空闲用户参与协作干扰，以提升典型用户的安全性能：
定义连接概率为典型用户端接收信干噪比大于设定的阈值θc的概率，以满足用户解调需要，典型用户的连接概率计算为：



...

【专利技术属性】
技术研发人员：高媛媛，王世界，李亦高，臧国珍，沙楠，郭明喜，刘笑辰，张广娜，黄晟，王小雨，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32