一种基于物理层安全的无线认知网络的传输方法及系统与流程

本发明涉及无线网络传输领域，特别是涉及一种基于物理层安全的服从nakagami衰落的无线认知网络的传输方法及系统。

背景技术

现有技术中存在的基于无线认知网络提高物理层安全性的方案，以中断概率或截获概率为标准判断中继选择方案是否提高了物理层安全性能，但其均是基于rayleigh衰落信道非协作窃听方式进行研究的。而nakagami衰落相比rayleigh衰落信道更符合实际实验数据且更为通用，但是现有的技术方案无法保证nakagami信道衰落下无线认知网络的物理层的安全性。

因此，如何提供一种基于物理层安全的nakagami信道衰落下无线认知网络的传输方法及系统，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于物理层安全的无线认知网络的传输方法及系统，能够基于更实际的信道条件和窃听状态有效提高无线认知网络的物理层安全性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输方法，所述传输方法包括：

获取认知发送节点、认知中继、目的节点及各个窃听节点，其中，所述认知发送节点与所述认知中继之间的链路、所述认知中继与所述目的节点之间的链路及所述认知中继与所述窃听节点之间的链路均服从nakagami衰落；

当所述认知发送节点给各个认知中继发送源信号后，计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，所述解码认知中继为能够正确解码所述源信号的认知中继；

根据所述解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量；

根据所述解码认知中继的所述中继信道容量与所述窃听信道容量确定每个所述解码认知中继的安全容量；

从各个所述解码认知中继中筛选安全容量最大的解码认知中继作为最优认知中继，所述最优认知中继用于将所述认知发送节点发送的所述源信号传输给所述目的节点。

可选的，所述计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量之前，还包括：

判断是否存在能够正确解码所述源信号的认知中继，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示不存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则中断传输；

当所述第一判断结果表示存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则将能够正确解码所述源信号的所述认知中继确定为解码认知中继。

可选的，所述根据所述解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量，具体包括：

根据公式：计算所述解码认知中继与各个窃听节点之间的链路信道容量，其中，ciej表示链路信道容量，hiej表示第i个解码认知中继与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，hpej表示主网络中主用户与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用；

根据每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

可选的，所述根据每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量，具体包括：

获取当前传输中的协作窃听方式；

判断所述协作窃听方式为选择式协作窃听还是最大比合并式协作窃听，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为选择式协作窃听时，从每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量中筛选出最大的链路信道容量作为对应的解码认知中继的窃听信道容量；

当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为最大比合并式协作窃听时，获取各个所述窃听节点的信道容量系数；

根据各个所述信道容量系数及各个链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

可选的，所述计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，具体包括：

根据公式：计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，其中，cid表示中继信道容量，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差，hid表示解码认知中继与目的节点链路的nakagami信道衰落系数，hpd表示主网络中主用户与目的节点链路的nakagami信道衰落系数；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用。

一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输系统，所述传输系统包括：

节点获取模块，用于获取认知发送节点、认知中继、目的节点及各个窃听节点，其中，所述认知发送节点与所述认知中继之间的链路、所述认知中继与所述目的节点之间的链路及所述认知中继与所述窃听节点之间的链路均服从nakagami衰落；

中继信道容量确定模块，用于当所述认知发送节点给各个认知中继发送源信号后，计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，所述解码认知中继为能够正确解码所述源信号的认知中继；

窃听信道容量确定模块，用于根据所述解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量；

安全容量确定模块，用于根据所述解码认知中继的所述中继信道容量与所述窃听信道容量确定每个所述解码认知中继的安全容量；

筛选模块，用于从各个所述解码认知中继中筛选安全容量最大的解码认知中继作为最优认知中继，所述最优认知中继用于将所述认知发送节点发送的所述源信号传输给所述目的节点。

可选的，所述传输系统还包括：

第一判断模块，用于判断是否存在能够正确解码所述源信号的认知中继，获得第一判断结果；

传输中断模块，用于当所述第一判断结果表示不存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则中断传输；

解码认知中继确定模块，用于当所述第一判断结果表示存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则将能够正确解码所述源信号的所述认知中继确定为解码认知中继。

可选的，所述窃听信道容量确定模块包括：

信道容量计算单元，用于根据公式：

计算所述解码认知中继与各个窃听节点之间的链路信道容量，其中，ciej表示链路信道容量，，hiej表示第i个解码认知中继与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，hpej表示主网络中主用户与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用；

窃听信道容量确定单元，用于根据每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

可选的，所述窃听信道容量确定单元包括：

窃听方式获取子单元，用于获取当前传输中的协作窃听方式；

第二判断子单元，用于判断所述协作窃听方式为选择式协作窃听还是最大比合并式协作窃听，获得第二判断结果；

筛选子单元，用于当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为选择式协作窃听时，从每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量中筛选出最大的链路信道容量作为对应的解码认知中继的窃听信道容量；

容量系数获取子单元，用于当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为最大比合并式协作窃听时，获取各个所述窃听节点的信道容量系数；

合并式窃听容量确定子单元，用于根据各个所述信道容量系数及各个链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

可选的，所述中继信道容量确定模块根据公式：计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，其中，cid表示中继信道容量，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差，hid表示解码认知中继与目的节点链路的nakagami信道衰落系数，hpd表示主网络中主用户与目的节点链路的nakagami信道衰落系数；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输方法及传输系统，首先计算能够正确解码源信号的解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，并根据解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定每个解码认知中继的窃听信道容量。然后根据中继信道容量与窃听信道容量确定每个解码认知中继的安全容量。最后从各个解码认知中继中筛选安全容量最大的解码认知中继作为最优认知中继，通过最优认知中继将认知发送节点发送的源信号传输给目的节点，从而基于更实际的信道条件和窃听状态有效提高了无线认知网络的物理层安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输系统的结构框图；

图3为基于nakagami衰落的多窃听无线认知中继网络系统模型图；

图4为本发明实施例提供的中断概率随功率变化图；

图5为本发明实施例提供的最优中继选择方案在选择式窃听和最大比合并窃听方式下的仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于物理层安全的无线认知网络的传输方法及系统，能够基于更实际的信道条件和窃听状态有效提高无线认知网络的物理层安全性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输方法的流程图。如图1所示，一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输方法，所述传输方法包括：

步骤101：获取认知发送节点、认知中继、目的节点及各个窃听节点，其中，所述认知发送节点与所述认知中继之间的链路、所述认知中继与所述目的节点之间的链路及所述认知中继与所述窃听节点之间的链路均服从nakagami衰落。

步骤102：用于当所述认知发送节点给各个认知中继发送源信号后，判断是否存在能够正确解码所述源信号的认知中继，获得第一判断结果。

当所述第一判断结果表示不存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则执行步骤103；当所述第一判断结果表示存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则执行步骤104。

步骤103：中断传输。

步骤104:将能够正确解码所述源信号的所述认知中继确定为解码认知中继。

步骤105：计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量。

具体地，根据公式：

计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，其中，cid表示中继信道容量，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差，hid表示解码认知中继与目的节点链路的nakagami信道衰落系数，hpd表示主网络中主用户与目的节点链路的nakagami信道衰落系数；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用。

步骤106：根据所述解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

具体地，确定窃听信道容量的具体步骤为：

根据公式：计算所述解码认知中继与各个窃听节点之间的链路信道容量，其中，ciej表示链路信道容量，hiej表示第i个解码认知中继与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，hpej表示主网络中主用户与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用

获取当前传输中的协作窃听方式；

判断所述协作窃听方式为选择式协作窃听还是最大比合并式协作窃听，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为选择式协作窃听时，从每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量中筛选出最大的链路信道容量作为对应的解码认知中继的窃听信道容量；

当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为最大比合并式协作窃听时，获取各个所述窃听节点的信道容量系数；

根据各个所述信道容量系数及各个链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

步骤107：根据所述解码认知中继的所述中继信道容量与所述窃听信道容量确定每个所述解码认知中继的安全容量。

步骤108：从各个所述解码认知中继中筛选安全容量最大的解码认知中继作为最优认知中继，所述最优认知中继用于将所述认知发送节点发送的所述源信号传输给所述目的节点。

图2为本发明实施例提供的一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输系统的结构框图。如图2所示，一种基于nakagami信道衰落无线认知网络的传输系统，所述传输系统包括：

节点获取模块201，用于获取认知发送节点、认知中继、目的节点及各个窃听节点，其中，所述认知发送节点与所述认知中继之间的链路、所述认知中继与所述目的节点之间的链路及所述认知中继与所述窃听节点之间的链路均服从nakagami衰落。

第一判断模块202，用于当所述认知发送节点给各个认知中继发送源信号后，判断是否存在能够正确解码所述源信号的认知中继，获得第一判断结果。

传输中断模块203，用于当所述第一判断结果表示不存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则中断传输。

解码认知中继确定模块204，用于当所述第一判断结果表示存在能够正确解码所述源信号的认知中继，则将能够正确解码所述源信号的所述认知中继确定为解码认知中继。

中继信道容量确定模块205，计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，所述解码认知中继为能够正确解码所述源信号的认知中继。

本实施例中，所述中继信道容量确定模块205根据公式：计算解码认知中继与目的节点之间的链路的中继信道容量，其中，cid表示中继信道容量，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差，hid表示解码认知中继与目的节点链路的nakagami信道衰落系数，hpd表示主网络中主用户与目的节点链路的nakagami信道衰落系数；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用。

窃听信道容量确定模块206，用于根据所述解码认知中继与各个窃听节点链路的信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

所述窃听信道容量确定模块206包括：

信道容量计算单元，用于根据公式：

计算所述解码认知中继与各个窃听节点之间的链路信道容量，其中，ciej表示链路信道容量，，hiej表示第i个解码认知中继与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，hpej表示主网络中主用户与第j个窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，pct表示认知发送节点的发射功率，ppu表示主网络中主用户的发射功率，n0表示噪声方差；h0表示授权频谱没有被主用户占用，h1表示授权频谱被主用户占用；

窃听信道容量确定单元，用于根据每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

进一步地，所述窃听信道容量确定单元包括：

窃听方式获取子单元，用于获取当前传输中的协作窃听方式；

第二判断子单元，用于判断所述协作窃听方式为选择式协作窃听还是最大比合并式协作窃听，获得第二判断结果；

筛选子单元，用于当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为选择式协作窃听时，从每个所述解码认知中继到各个窃听节点的链路信道容量中筛选出最大的链路信道容量作为对应的解码认知中继的窃听信道容量；

容量系数获取子单元，用于当所述第二判断结果表示所述协作窃听方式为最大比合并式协作窃听时，获取各个所述窃听节点的信道容量系数；

合并式窃听容量确定子单元，用于根据各个所述信道容量系数及各个链路信道容量确定所述解码认知中继的窃听信道容量。

安全容量确定模块207，用于根据所述解码认知中继的所述中继信道容量与所述窃听信道容量确定每个所述解码认知中继的安全容量。

筛选模块208，用于从各个所述解码认知中继中筛选安全容量最大的解码认知中继作为最优认知中继，所述最优认知中继用于将所述认知发送节点发送的所述源信号传输给所述目的节点。

图3为基于nakagami衰落的多窃听无线认知中继网络系统模型图。基于nakagami衰落的多窃听无线认知中继网络中，窃听方式为协作窃听，协作窃听的具体方式可以为选择式协作窃听或最大比合并式协作窃听。下面以图3所示的网络系统为例，以最大比合并式窃听为窃听协作方式介绍本发明的实施过程：

1、认知发送节点st传输源信号给认知中继sri，i∈{1,2…n}，考虑sri采用解码转发(df)的方式进行协助传输，若没有中继能够正确解码源信号，则传输中断，n表示认知中继的个数。

2、若有认知中继能正确解码源信号，将能正确解码源信号的认知中继记为解码认知中继，并用解码认知中继集合dn表示，n∈{1,2…2ⁿ-1}，dn代表能够成功解码源信号的一系列解码认知中继(srs)形成的集合。本发明就是要从集合dn中选出一个最优认知中继sro作为可以继续向目的节点sd传输源信号的安全传输中继。

计算解码认知中继sri与目的节点sd链路的中继信道容量公式如式(1)所示：

cid表示单中继传输过程中从解码认知中继到认知目的节点sri→sd的信道容量，其中pct为认知发送节点的发射功率，ppu为主网络中主用户的发射功率，n0为噪声方差，h0代表着授权频谱没有被主用户占用，因此没有主用户信息传输，使得α＝0，相反，h1代表着授权频谱被主用户占用，即α＝1。hid、hpd分别为sri→sd、pu→sd链路的nakagami信道衰落系数。

3、在传输过程中窃听者对源信号进行窃听。当窃听方式为最大比合并窃听时：最大比合并窃听是能够正确解码源信号的每个认知中继均向m个窃听节点传输源信号，将m个窃听节点接受到的源信号用最大比合并(mrc)的方式进行合并。则sri→e链路的信道容量为：

表示第i个解码认知中继sri到窃听系统e传输过程中窃听信道容量，其中hiej表示sri→ej链路的nakagami信道衰落系数，hpej表示pu→ej链路的nakagami信道衰落系数，m为窃听者个数。考虑|hpe1|²＝|hpe2|²＝…＝|hpem|²＝|hpe|²，则上式可以写成：

安全容量为主信道的信道容量减去窃听信道的信道容量，当安全容量小于零时，中断事件发生。因此安全容量可以被表示为：

其中，cid表示主信道的信道容量即解码认知中继的所述中继信道容量，表示解码认知中继的窃听信道容量，表示安全容量。

4、在sri→sd传输过程中，是从能够成功解码源信号的认知中继组成的集合dn中选择出的最优认知中继，最优认知中继的选择标准是选出安全容量最大的中继进行协助传输。即：

o1表示选出的最优认知中继，即在能够成功解码的认知中继中选出安全容量最大的中继进行协助传输。

5、最优认知中继的安全性能评价：

计算信道服从nakagami衰落时最大比合并窃听方式下最优中继选择方案的中断概率步骤如下：

5.1：当所有中继都不能正确解码源信号时，中断事件发生：

其中：

hsi表示认知发送节点st到解码认知中继sri的链路的nakagami信道衰落系数，hpi表示主网络中主用户pu到解码认知中继sri的链路的nakagami信道衰落系数，即|hsi|²,|hpi|²服从nakagami衰落,其概率密度函数为：

r表示传输速率，表示所有中继都不能正确解码源信号触发传输中断的中断概率，pr表示基于nakagami衰落条件下st→sri链路的信道容量小于传输速率r的概率，π0表示授权频谱被主用户占用时的情况，π1表示授权频谱被主用户占用时的情况，γ(m)为关于m的gamma函数，m表示信道衰落的严重程度，σ²表示信道h的衰落方差。

5.2：当有中继能正确解码源信号时，当安全容量小于零时，中断事件发生：

即最大比合并窃听方式下最佳中继选择方案的中断概率为：

其中，hpe表示主网络中主用户与窃听节点链路的nakagami信道衰落系数，hsi表示st→sri认知发送节点st到解码认知中继sri的链路的nakagami信道衰落系数，hpi表示pu→sri主网络中主用户pu到解码认知中继sri的链路的nakagami信道衰落系数，hsk表示st→srk认知发送节点st到不能正确解码源信号的认知中继srk链路的nakagami信道衰落系数，hpk表示主网络中主用户到不能正确解码源信号的认知中继srk的链路的nakagami信道衰落系数。

其中：|hsi|²,|hsk|²,|hid|²，|hiej|²，|hpe|²，|hpi|²，|hpk|²,|hpd|²为均值为0的复高斯随机变量，且方差为

图4为本发明实施例提供的中断概率随功率变化图。在选择式窃听和最大比合并窃听两种窃听方式下，轮询调度、多中继传输、最优中继传输和次优中继传输四种中继选择方案的中断概率随功率的变化如图4所示，从图4中可以看出中断概率随功率的增大而减小，且选择式合并方式下的最优中继选择方案的中断概率相比于其他三种方式最小，安全性能最好，最大比合并方式下最优中继选择方案的中断概率，与选择式窃听方式下的最优中继选择方案的中断概率相比，其中断概率增大，证明减少窃听者的个数可以降低中断概率，提高物理层安全性能。

图5是本发明实施例提供的最优中继选择方案在选择式窃听和最大比合并窃听方式下的仿真图。如图5所示，窃听者个数为2，中继个数分别为2或4时，中断概率随功率的增大而减小，且在同一种窃听方式下增加中继个数可以减小中断概率，由于选择式窃听是选出窃听容量最大的单个窃听者进行窃听，而最大比合并窃听是多个窃听者合并进行窃听，从图5中可以看出当单个窃听者进行窃听时的中断概率小于多个窃听者合并进行窃听时的中断概率，因此减少窃听者的个数会增加中断概率，提高物理层安全性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。