[发明专利]一种在双向中继网络中多对用户间的安全通信方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种安全通信方法，具体涉及一种在双向中继网络中多对用户间的安全通信方法。

背景技术

无线信道固有的开放性加快了现代无线通信系统的发展，但是也使其容易受到恶意的攻击。目前，在无线通信系统中QoS需求如吞吐量和延迟，隐私和安全引起了广泛的关注。在安全通信领域，物理层安全作为一种新的提高安全性能的方法得到了广泛的关注。与传统的高速率安全通信方案相比，在多个分布式通信单元中，物理层安全具有较小的系统开销、简单的协议栈和较低的复杂度等优点。另外，现存的研究表明分布式中继节点间的协作可以显著地提高系统的安全性能。

目前，关于物理层安全的研究主要集中在单向中继网络中，把安全容量作为评价物理层安全的一项准则。在源节点到终端节点的一条链路中，存在一个或多个窃听者，可以采用节点间协作提高系统的安全性能。基于协作波束赋形，与译码转发(DF)相比，放大转发(AF)的应用复杂度较小。研究者在具有一个窃听者的协作网络中提出了一种机会中继和干扰噪声的方案，其中系统中的每个节点都是单天线的。另外，研究者提出了一种次优的安全通信方案，其系统模型是一个两跳的多输入多输出(MIMO)无线中继网络，每个节点配有多根天线。为了提高安全通信的性能，研究者提出了两种方案，即安全速率最大化波束赋形和零空间波束赋形。另外，研究者在AF网络中提出了一种联合波束赋形和干扰噪声的方案，该方案具有较小的复杂度。但是以上的研究主要集中在单向中继网络中。

随着安全通信的发展，网络场景扩展到了双向中继网络。在双向中继网络中，研究者提出了两种次优的安全通信方案，一种是当已知窃听者的信道状态信息(CSI)时的零空间协作波束赋形；一种是当未知窃听者的CSI时的干扰噪声方案。另外，研究者设计了最优的零空间波束赋形和源节点传输功率控制的安全通信的一般方法，而且该方法的目标函数为安全和速率。此外，研究者在双向AF中继网络中提出了一种次优的协作波束赋形(CB)和干扰噪声(AN)的联合设计方案。在三阶段双向中继系统中提出了一种采用协作干扰方法增强安全通信的方案，然而，三阶段双向中继在一定程度上会减小频谱效率，而且所提的算法是最小化每个源节点的干扰信号功率。以上的研究都是关于一对正当用户的安全通信，在数据传输中不存在用户对间的干扰。在实际应用中，双向中继网络中通常会存在多于一对正当用户的情况。研究者在双向中继网络中考虑了存在一个友好的干扰源情况下的多对用户间的安全通信，但是该系统中假设源节点已知干扰信号的信息，因此过于理想化。另外，该研究是通过有效分配干扰源的功率提高物理层安全的。

综上所述，在双向中继系统中，关于多对用户的安全问题的研究是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种在双向中继网络中多对用户间的安全通信方法，该方法可以实现双向中继网络中多对用户间的安全通信，并且性能稳定、收敛速度快。

为达到上述目的，本发明所述的在双向中继网络中多对用户间的安全通信方法包括以下步骤：

设在双向中继网络中有K对用户通过一组可信赖的中继R_n进行相互通信，每对用户间没有直接的链路，每个用户只期望接收相应用户发送的信息，且双向中继网络中存在窃听者E_m，用户、中继及窃听者均为单天线及半双工的，中继之间、窃听者之间均为相互独立的，其中，n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M，N为双向中继网络中中继的总数，M为窃听者的总数，得窃听者E_m处的可达信息速率以及第k对用户中的两个用户的可达信息速率分别为及

设双向中继网络总的可达安全和速率R_sum为每对用户的最大可达安全速率的和，其中