一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，包括建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，其传输过程为：首先，源节点向中继节点发送不包含保密信息的信息；然后从备选中继节点中选择最优的中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发上一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送当前阶段的保密信息；第三，不断循环往复上一步过程；最后，源节点不再发送信息，被选中继完成转发后通信结束。本发明专利技术合理利用中继间干扰降低了窃听者的信噪比，消除了中继间干扰对于目的节点的影响，并在每个阶段都进行了最优中继选择以最大程度抑制窃听行为，从而提高了轮流中继网络的安全传输性能。

A secure transmission method of alternate relay network in eavesdropping environment

【技术实现步骤摘要】
一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法。
技术介绍
随着无线通信应用领域的不断扩展和服务内容的不断增加，无线通信网络的信息安全问题越来越被人们所重视。在传统通信网络中，信息安全是通过高层加密体制加以保障的，但随着计算机运算能力的日益强大，传统加密体制已经不能满足当前无线通信网络的安全需求，这意味着需要新的方法来确保信息安全。近年来，物理层安全技术通过利用无线信道本身的特性使窃听者无法正确解码，从而保证信息的安全传输，被认为是一种很有潜力的安全技术。作为一种改进，在物理层安全领域常采用中继协作技术，它不仅可以扩大网络覆盖范围和提高数据传输速率，还可以提高无线通信网络的安全性能。在中继协作传输的过程中，传统中继节点多采用半双工模式，无法同时发送和接收信号，因此在中继转发阶段源节点必须保持静默，从而导致其频谱效率仅为直接传输时的一半。而若采用全双工中继虽然可以提高频谱效率，但其硬件设计较为复杂，且难以处理同时接收与发送信号产生的自干扰，因此在很多场景下并不适用。作为一种改进，研究者们提出了轮流中继网络，通过合理安排多个半双工中继交替转发信号来模拟一个全双工节点，从而达到中继同时收发信号的效果。但是轮流中继网络仍然面临着被窃听的风险，因此，综上所述，现有技术轮流中继网络中存在中继间干扰对于目的节点有一定影响，轮流中继网络的安全传输性能不够高而导致的中继网络仍然面临着被窃听的风险。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，解决了现有技术因中继网络的安全传输性能不够高而导致其存在被窃听的风险的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，具体包括如下步骤：步骤1：建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN；然后进行整个传输；步骤2：传输包括：第一阶段：源节点向中继节点发送不包含保密信息的信息；第二阶段：从备选中继节点中选择最优的中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送第二阶段的保密信息；第三阶段：从备选中继节点中选择与上一阶段不相同的最优中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发上一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送本阶段的保密信息；第四阶段：从第四阶段-第T-1阶段，如第三阶段，不断循环往复；第T阶段：被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第T-1阶段的信息，通信结束。本专利技术的特点还在于，步骤2中，所述第一阶段的具体过程如下：步骤2.1：源节点向中继节点发送信息，中继和窃听者接收到的信号分别为如下公式(1)和公式(2)：其中，xS(t)，(t＝1,…,T)为S在第t阶段发送的信号，PS为源节点的发射功率，nA(t)为第t阶段节点A处的加性高斯白噪声，hAB(t)为第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数。步骤2中，第二阶段的具体过程如下：步骤2.2.1记被选中继为Rj，中继Rj的转发信号为如下公式(3)：其中，G1为放大转发因子，即N0为噪声功率；步骤2.2.2：目的节点接收到的信号为如下公式(4)：其中，PR为中继节点的发射功率；步骤:2.2.3：源节点发送保密信号xS(2)，中继Rj因进行信号转发没有接收到该信号，而其余中继及所有窃听者既接收到了来自中继Rj的转发信号又接收到了来自源节点的保密信号xS(2)，在该阶段中继与窃听者接收到的信号分别为如下公式(5)和公式(6)：步骤2中，第三阶段的具体过程如下：步骤2.3.1记被选中继为Rk，中继Rk的转发信号为如下公式(7)：其中，步骤2.3.2：目的节点接收到的信号为如下公式(8)：步骤2.3.3：使用干扰消除方法消除中继间干扰对接收信号的影响，由公式(4)可得如下公式(9)：将公式(9)代入公式(8)中，并去掉信号yD(2)，得到如下公式(10)：步骤2.3.4：源节点发送保密信号xS(3)，中继及窃听者接收到的信号分别为如下公式(11)和公式(12)：步骤2.3.5：根据公式(6)及公式(10)，在高信噪比的条件下，忽略信道噪声，窃听者与目的节点关于保密信号xS(2)的接收信噪比分别为如下公式(13)和公式(14)：步骤2.3.6：得到保密信号xS(2)的瞬时安全速率如下公式(15)：步骤2中，第四阶段的具体过程如下：步骤2.4.1记其中任意一个阶段为第k阶段，可以得到第k阶段的瞬时安全速率如下公式(16)、公式(17)和公式(18)：其中：其中Rp、Rf分别表示在第k-1阶段与第k阶段选出的转发中继；步骤2.4.2：得到第k阶段的安全中断概率如下公式(19)：Pout(k)＝P(CS(k)＜R)(19)，其中，R为系统的目标传输速率。步骤2中，第T阶段的具体过程如下：步骤2.5.1：得到系统在T个阶段的平均安全中断概率如下公式(20)：步骤2.5.2：最小化等价于使任意阶段k的瞬时安全速率最大，并且第k阶段目的节点接收到的保密信号总是在第k-1阶段被窃听，在第k-1阶段的中继选择过程中，中继Rp的选择策略为如下公式(21)：其中，b表示上一阶段由于转发信息而不能在当前阶段被选择的中继；步骤2.5.3：得到的闭式表达式如下公式(22)和公式(23)：其中，Ei(·)为指数积分函数，λAB为节点A与节点B间信道增益的均值，本专利技术的有益效果是，本专利技术一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案，利用中继转发信号干扰窃听者对本阶段保密信号的窃听，以降低窃听者的信噪比；同时对目的节点接收信号中包含的中继间干扰进行消除，降低了中继间干扰对目的节点的影响，有效提高了目的节点处的接收质量。而且，本专利技术以最小化T个传输阶段内系统的平均安全中断概率为目标，给出最佳中继节点的选择方法，可最大程度抑制窃听者窃听行为。本专利技术相较于传统协作方案，可有效提高系统的安全中断性能。附图说明图1本专利技术一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法的无线传输网络的模型图；图2本专利技术一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法中安全中断概率随发射功率变化曲线与其它方案的仿真和数值计算对比图；图3本专利技术一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法在不同中继个数条件下系统安全中断概率随发射功率变化的仿真图；图4本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，其特征在于，具体包括如下步骤：/n步骤1：建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E

【技术特征摘要】
1.一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：建立存在多个窃听者、多个中继的轮流中继网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，M个窃听者E1,E2…EM，以及N个中继节点R1,R2…RN；然后进行整个传输；
步骤2：所述传输包括：
第一阶段：源节点向中继节点发送不包含保密信息的信息；
第二阶段：从备选中继节点中选择最优的中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送第二阶段的保密信息；
第三阶段：从备选中继节点中选择与上一阶段不相同的最优中继节点，被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发上一阶段的信息，与此同时源节点向中继节点发送本阶段的保密信息；
第四阶段：从第四阶段-第T-1阶段，如第三阶段，不断循环往复；
第T阶段：被选择的中继节点采用放大转发协议向目的节点转发第T-1阶段的信息，通信结束。


2.如权利要求1所述的一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案，其特征在于，步骤2中，所述第一阶段的具体过程如下：
步骤2.1：源节点向中继节点发送信息，中继和窃听者接收到的信号分别为如下公式(1)和公式(2)：






其中，xS(t)，(t＝1,…,T)为S在第t阶段发送的信号，PS为源节点的发射功率，nA(t)为第t阶段节点A处的加性高斯白噪声，hAB(t)为第t个阶段节点A到节点B的信道衰落系数。


3.如权利要求2所述的一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案，其特征在于，步骤2中，所述第二阶段的具体过程如下：
步骤2.2.1记被选中继为Rj，中继Rj的转发信号为如下公式(3)：



其中，G1为放大转发因子，即N0为噪声功率；
步骤2.2.2：目的节点接收到的信号为如下公式(4)：



其中，PR为中继节点的发射功率；
步骤:2.2.3：源节点发送保密信号xS(2)，中继Rj因进行信号转发没有接收到该信号，而其余中继及所有窃听者既接收到了来自中继Rj的转发信号又接收到了来自源节点的保密信号xS(2)，在该阶段中继与窃听者接收到的信号分别为如下公式(5)和公式(6)：








4.如权利要求3所述的一种窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠鏸，苟博，王滢，王庆毅，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61