基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法及系统

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法及系统。

背景技术：

毫米波通信作为5g/b5g的关键技术之一，其具有丰富连续可用的频谱，能够有效缓解现有蜂窝网络中频谱资源稀缺的问题，近年来得到了广泛关注。然而毫米波对遮挡敏感的特性限制了其应用，使其更适合短距离传输。当节点间距离较远或者存在遮挡时通信链路便会中断，此时协同中继技术便可用于扩大毫米波网络的覆盖范围。若配备专门的中继节点进行信息转发代价过大，考虑选择网络中空闲的节点用来信息转发更加符合绿色通信的发展需求。另外，网络中节点多为能量受限的，从网络节点的自私性考虑，倘若使空闲节点利用自己有限的能量进行信息转发不太切合实际。因此，考虑在潜在的中继节点处采用信息与能量同传接收结构便可利用其收集的能量进行信息转发，使其尽量减少对自身储能的消耗，提高网络的能效性。

非正交多址接入作为5g/b5g的关键技术之一，其可以在同一时频资源上同时为多个用户提供服务。非正交多址接入(noma)技术主要包含功率域和码域两种实现方式，功率域noma通过对不同的信息分配不同发送功率，接收端采用连续干扰消除技术便可将叠加的信息逐个译出。针对物联网中存在大量具有不同通信需求的用户这一现状，源端可采用非正交多址技术同时向具有不同通信需求的用户提供服务，提高传输效率。随着物联网的飞速发展，越来越多的私密信息将在网络中传播，而无线信道的开放性和广播特性使得信息泄露的风险大大增加。因此，信息传输的安全性应该是系统设计时所要考虑的重中之重。物理层安全作为一种不依赖于传统加密体制的安全传输技术，其原理是基于信息论的安全，可大大降低系统复杂度，尤为适合具有大量低功耗终端的物联网场景。因此，对于基于非正交多址技术的无线携能中继网络，其高可靠及物理层安全传输方案设计亟待考虑。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法及系统，利用非正交多址技术提高系统的有效性、可靠性，利用安全保护域提高安全性，并采用信息能量同传的中继节点实现绿色广覆盖通信，为具有不同通信需求用户的毫米波网络提供更高安全性、更大覆盖范围和更节能的绿色通信。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，用于利用源节点和目标节点之间的直连链路或中继链路进行数据传输，中继链路由若干中继用户节点组成，该目标节点为近端用户节点或为远端用户节点，近端用户节点与源节点之间数据传输采用直连链路，远端用户节点与源节点之间传输采用中继链路；其中，数据传输过程具体包含如下内容：

第一时隙中，源节点采用非正交多址接入技术将信号资源通过随机波束成形发送给近端用户节点和中继用户节点；

近端用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计并通过自干扰消除技术对接收信号进行译码；中继用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计生成波束成形向量，并利用自身功率分割的接收结构对接收信号进行译码和能量采集，将正确译码的中继用户节点作为可选中继集合；

第二时隙中，源节点设计发送波束成形向量，将私密信息发送给近端用户节点；并在可选中继集合中选择用于向远端用户节点转发信号的中继节点；

近端用户节点利用接收波束成形设计，并与第一时隙接收信号进行最大比合并译码；远端用户节点进行接收波束成形设计，并利用接收信号进行译码。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步的，每个节点均采用可进行发送和接收波束成形的多天线结构；信号资源表示为叠加信号x＝βaxa+βrxr，其中，xa为发送给近端用户节点的私密信息，βa,βr∈(0,1)为功率分配因子，xr为发送给中继用户节点的信息。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，私密信息采用维纳编码进行加密。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，中继用户节点采用相同功率分割比对接收信号进行译码和能量采集。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，第二时隙中，可选中继集合中选择中继节点时，采用随机选择或依据中继节点发送功率计中继节点到远端用户节点距离以及路径衰落因子来选择。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，针对接收信号，中继节点采用译码转发方式进行发送。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，第二时隙中，对接收信号，依据第一时隙能量采集获得的功率来设定中继节点的发送功率。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，源节点和目标节点之间的通信链路上还设置有用于预防链路窃听的窃听用户节点。

作为本发明基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，进一步地，针对窃听用户节点，第一时隙中，采用自干扰消除技术对接收信号进行译码；第二时隙中，采用接收波束成形设计并通过与第一时隙接收信号进行最大比合并来对合并信号进行译码。

进一步地，本发明还提供一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输系统，包含源节点、目标节点及设置于源节点和目标节点之间的数据传输模块，每个节点均采用可进行发送和接收波束成形的多天线结构；所述目标节点为近端用户节点或为远端用户节点；所述数据传输模块包含：近端用户节点与源节点之间进行数据传输的直连链路，和远端用户节点与源节点之间进行数据传输的中继链路；其中，数据传输模块进行数据传输的过程如下：

第一时隙中，源节点采用非正交多址接入技术将信号资源通过随机波束成形发送给近端用户节点和中继用户节点；

近端用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计并通过自干扰消除技术对接收信号进行译码；中继用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计生成波束成形向量，并利用自身功率分割的接收结构对接收信号进行译码和能量采集，将正确译码的中继用户节点作为可选中继集合；

第二时隙中，源节点设计发送波束成形向量，将私密信息发送给近端用户节点；并在可选中继集合中选择用于向远端用户节点转发信号的中继节点；

近端用户节点利用接收波束成形设计，并与第一时隙接收信号进行最大比合并译码；远端用户节点进行接收波束成形设计，并利用接收信号进行译码。

本发明的有益效果：

本发明可用于为具有不同通信需求用户的毫米波网络提供更高安全性、更大覆盖范围和更节能的绿色通信。利用非正交多址接入、随机波束成形、安全保护域、无线信息与能量同传、中继选择等技术设计适用于该网络模型的传输方案，大大提高了系统的有效性、可靠性和安全性，此方案操作简单，易于实现，具有较好的应用前景。

附图说明：

图1为实施例中中继网络绿色安全传输方法流程示意；

图2为实施例中中继网络绿色安全传输应用示意；

图3为实施例中本案方案与采用正交多址接入传输方案的近端设备既安全又可靠传输概率随着源端发送功率变化示意；

图4为实施例中本案方案采用随机中继选择和机会中继选择方案时远端设备的可靠连接概率随着中继端功率分割比变化示意。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，参见图1所示，提供一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输方法，用于利用源节点和目标节点之间的直连链路或中继链路进行数据传输，中继链路由若干中继用户节点组成，该目标节点为近端用户节点或为远端用户节点，近端用户节点与源节点之间数据传输采用直连链路，远端用户节点与源节点之间传输采用中继链路；其中，数据传输过程具体包含如下内容：

第一时隙中，源节点采用非正交多址接入技术将信号资源通过随机波束成形发送给近端用户节点和中继用户节点；

近端用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计并通过自干扰消除技术对接收信号进行译码；中继用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计生成波束成形向量，并利用自身功率分割的接收结构对接收信号进行译码和能量采集，将正确译码的中继用户节点作为可选中继集合；

第二时隙中，源节点设计发送波束成形向量，将私密信息发送给近端用户节点；并在可选中继集合中选择用于向远端用户节点转发信号的中继节点；

近端用户节点利用接收波束成形设计，并与第一时隙接收信号进行最大比合并译码；远端用户节点进行接收波束成形设计，并利用接收信号进行译码。

利用非正交多址技术提高系统的有效性、可靠性，利用安全保护域提高安全性，并采用信息能量同传的中继节点实现绿色广覆盖通信，为具有不同通信需求用户的毫米波网络提供更高安全性、更大覆盖范围和更节能的绿色通信。

参见图2所示，网络架构中包含一个源节点s、一个近端用户u1、一个远端用户u2、k个能量受限的中继节点以及多个被动窃听者，其中源节点和远端用户之间由于遮挡等因素影响无直达路径，中继节点工作于半双工模式并利用采集的无线射频信号能量向远端用户译码转发信息，在第一个时隙，源节点采用非正交多址接入技术同时向近端用户和中继发送信息，中继工作于半双工模式，并且从多个中继节点中选择一个在第二个时隙用来辅助源节点到远端用户的通信。

在第一个时隙，源节点采用非正交多址接入技术将叠加信号x＝βaxa+βrxr通过设计随机波束成形发出，其中xa为发送给近端设备的私密信息，其采用维纳编码(ra,rs)，xr为发送给中继节点的信息，其传输速率为rr，βa,βr∈(0,1)为功率分配因子，满足发送波束成形向量其中阵列响应向量为源节点在第一时隙的发送波束中心角。同时，源节点设置安全保护半径dp保护私密信息不被窃听，即窃听节点分布在保护区域之外。

为获得阵列增益，中继节点利用自身多天线进行接收波束成形设计，接收波束成形向量为采用功率分割的信息与能量同传接收结构对接收到的射频信号进行译码和能量采集，所有中继节点采用相同的功率分割比wr，中继节点关于xr的信干噪比表达式记为γsr，并利用接收到的信号进行译码。将能够正确译码xr的中继集合记为φr，若一个中继的γsr＞εr，则其属于φr。

为获得阵列增益，近端用户利用自身多天线进行接收波束成形设计，接收波束成形向量为近端用户试图采用自干扰消除技术首先译出xr，其关于xr的信干噪比表达式记为关于xa的信噪比为同样，对于窃听节点，接收波束成形向量为考虑窃听节点能够成功消除xr，其关于xa的信噪比为

第二个时隙，在φr中选择一个中继节点进行信息的转发，发送波束成形向量本发明考虑两种中继选择方案示例：方案一为随机中继选择方案，即在φr中随机选择一个中继节点；方案二为机会中继转发方案，即为选择值最大的中继节点进行下个时隙的信息转发，其中pr,dr,u2,α分别为中继节点发送功率，中继到远端用户的距离以及路径衰落因子。需要说明的是中继节点的发送功率为其能量采集的功率，即pr＝η(1-wr)p|wrhsrps1|²，η为能量转换效率。

源节点将私密信息xa发送给近端设备，采用和步骤a相同的编码方式，发送波束成形向量为源节点在第二时隙的发送波束中心角；近端用户采用接收波束成形设计wa，其在该时隙关于xa的信干噪比表达式为通过与第一时隙接收信号进行最大比合并得到的信干噪比表达式为并利用接收到的合并信号进行译码；远端用户进行接收波束成形设计，接收波束成形向量为其关于xr的信干噪比表达式为γd，并利用接收到的信号进行译码；窃听节点采用接收波束成形设计we，其关于xa的信干噪比表达式为通过与第一时隙接收信号进行最大比合并得到的信干噪比表达式为并试图利用接收到的合并信号进行译码。

整个传输过程包含两个时隙，节点i到节点j之间的信道矩阵为hij。由于毫米波信号对遮挡十分敏感，非直达路径相对于直达路径的强度几乎可以忽略不计，当直达路径不存在时便可认为通信中断，长度为l的链路的直达概率为pl(l)＝e^-βl，其中β为遮挡参数；中继节点关于xr的信干噪比表达式为其中，p为源节点的发送功率，表示中继节点的噪声功率；近端用户关于xr的信干噪比表达式为若则其关于xa的信噪比为否则表示近端用户的噪声功率；窃听节点关于xa的信噪比表达式为表示窃听节点的噪声功率；第二时隙近端用户关于xa的信干噪比表达式为远端用户关于xr的信干噪比表达式为第二时隙窃听节点关于xa的信干噪比表达式为考虑最差的情况，即窃听节点具有强大的自干扰消除能力，能够成功消除xr。中继节点可采用译码转发方式，且中继节点的发送功率为其在第一时隙能量采集获得的功率，即pr＝η(1-wr)p|wrhsrps1|²，η为能量转换效率。近端用户和窃听节点都可采用最大比合并技术处理两个时隙接收到的信号。

进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于非正交多址技术的中继网络绿色安全传输系统，包含源节点、目标节点及设置于源节点和目标节点之间的数据传输模块，每个节点均采用可进行发送和接收波束成形的多天线结构；所述目标节点为近端用户节点或为远端用户节点；所述数据传输模块包含：近端用户节点与源节点之间进行数据传输的直连链路，和远端用户节点与源节点之间进行数据传输的中继链路；其中，数据传输模块进行数据传输的过程如下：

第一时隙中，源节点采用非正交多址接入技术将信号资源通过随机波束成形发送给近端用户节点和中继用户节点；

近端用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计并通过自干扰消除技术对接收信号进行译码；中继用户节点利用自身多天线进行接收波束成形设计生成波束成形向量，并利用自身功率分割的接收结构对接收信号进行译码和能量采集，将正确译码的中继用户节点作为可选中继集合；

第二时隙中，源节点设计发送波束成形向量，将私密信息发送给近端用户节点；并在可选中继集合中选择用于向远端用户节点转发信号的中继节点；

近端用户节点利用接收波束成形设计，并与第一时隙接收信号进行最大比合并译码；远端用户节点进行接收波束成形设计，并利用接收信号进行译码。

利用非正交多址技术提高系统的有效性、可靠性，利用安全保护域提高安全性，并采用信息能量同传的中继节点实现绿色广覆盖通信。

为验证本案方案有效性，下面结合试验数据做进一步解释说明：

参见图2所示的网络架构，该网络包含一个源节点s、一个近端用户u1、一个远端用户u2、多个能量受限的中继节点以及多个被动窃听者，其中源节点和远端用户之间由于遮挡等因素影响无直达路径，中继节点利用采集的无线射频信号能量向远端用户转发信息。各参数设置如下：天线数ns＝40/20,nu1＝2,nu2＝10,nr＝2,ne＝2，带宽bw＝1ghz；遮挡参数β＝0.0071，能量转换效率η＝0.8；各节点位置k个中继节点在区域内随机分布，安全保护域de设为70，3个潜在窃听节点随机分布在安全保护域以外。则近端用户实现既安全又可靠传输的概率为远端用户的可靠连接概率为本案传输方案与采用正交多址接入传输方案的近端设备既安全又可靠传输概率随着源端发送功率变化的对比仿真如图3所示，可以看出，在低发送功率时，本案传输方案的要优于正交多址接入传输方法。本案方案中分别采用随机中继选择和机会中继选择方案时远端设备的可靠连接概率随着中继端功率分割比变化的对比仿真如图4所示，其中源端发送功率p＝10dbm，可以看出，机会中继选择方案一般优于随机中继选择，但在中继端功率分割比十分小时，机会中继选择方案优势基本消失。

利用非正交多址接入、随机波束成形、安全保护域、无线信息与能量同传、中继选择等技术设计适用于该网络模型的传输方案，为扩大网络覆盖范围，采用具有信息与能量同传接收结构的中继节点进行信息转发，并且通过非正交多址接入、随机波束成形、安全保护域技术设计适用于该网络模型的传输方案来提高系统的有效性、可靠性和安全性，此方案操作简单，易于实现。基于以上实验数据可以进一步说明：本案方案可用于扩大毫米波网络的覆盖范围和实现更高效率的绿色安全通信。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

基于上述的方法或系统，本发明实施例还提供一种网络设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的系统或执行上述的方法。

基于上述的系统，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的系统。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、系统和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述系统的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。