基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输。


背景技术：

2.协作非正交多址接入是指在非正交多址接入系统中，让信道条件较好的用户充当中继来协作信道条件较差的用户进行信息传输的技术。在协作非正交多址接入系统中，作为中继的近用户不仅可以解码自己所需的信号，还可以通过串行干扰消除方法得到的远用户的信号并对其进行转发，从而协助远用户进行信息传输，提高远用户的服务质量。而在实际情况中，用户节点多为能量受限节点，因此协助远用户进行信息传输会导致近用户处出现额外的能量需求。
3.能量收集是指从射频信号中进行能量收集的技术。在接收端使用能量收集技术，可以使接收机通过收到的射频信号进行能量收集，从而延长无线节点的寿命，有效地解决了实际无线通信网络中的功率受限问题。无线能量收集技术通常分为时隙切换方法和功率分割方法。在时隙切换方法中，接收机将传输过程分为两个不同的时隙分别进行信息解码和信息转发。在功率分割方法中，接收机将收集到的能量分为两部分分别用于下一阶段的信息解码和本阶段的信息转发，有效地提高了系统的频谱利用率。
4.友好干扰是指通过系统内的合法用户发送人工噪声来抵御外部窃听的技术。在现有的物理层安全的解决方案中，友好干扰是一种有效的对抗窃听者的技术。友好干扰技术通过伪随机序列产生人工噪声，可以在不影响其他合法用户信号接收质量的前提下，对非法的窃听者进行噪声干扰，通过降低窃听者处的接收信干噪比来减小窃听者的窃听成功率，从而保证系统的安全传输性能。
5.用户选择技术是指在一个多用户的通信网络中，通过选择合理的用户来提高系统传输性能的技术。用户选择技术一般分为随机选择方法和最佳选择方法。最佳选择方法可以在多用户中选择最合理的用户来进行信息传输，从而得到最佳的传输性能。
6.在基于用户选择的协作非正交多址接入系统领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种有效的用户配对方法和干扰选择方法。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用户选择合理、方法简单、保密性能好的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法。
8.解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
9.(1)确定配对近用户
10.按式(1)确定与远用户配对的近用户uk：
11.uk＝argmax|h
si
|2(1)
12.其中，|h
si
|2表示信源节点到第i个用户的信道增益，i∈{1,...,n}，k表示第k个用
户被选中，k∈{1,...,n}，n表示近用户的数量，n为有限正整数。
13.(2)构建信号传输模型
14.信号传输模型由信源节点与近用户节点、远用户节点依次串联，在信源节点与远用户节点处设置单天线，近用户节点处设置双天线，构建成信号传输模型。
15.(3)确定干扰用户
16.按式(2)确定发送人工噪声的干扰用户ur：
17.ur＝randui(2)
18.其中，ui表示第个用户，i∈{δ\k}，δ＝{1,2,
…
,n}。
19.(4)确定保密中断概率
20.按式(3)确定远用户的保密中断概率p
sop
：
[0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]
ω
re
＝η
×
ρ
×
λ
re
[0028][0029]
λ
br
＝1
[0030][0031][0032][0033]
λ
bk
＝1.079
[0034]
ω
kf
＝η
×
β
×
ρ
×
λ
kf
[0035][0036][0037]
ω
se
＝εf×
α2×
ρ
×
λ
se
[0038]
λ
se
＝1
[0039][0040]
其中，rf为远用户的门限速率，rf取值为0～2bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.1～1，β是功率分裂因子，β取值为0～1，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为10～50db，α2是近用户的功率分配系数，α2∈(0,0.5)，l是高斯切比雪夫参数，l取值为50～150，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为1～15，vi是高斯拉盖尔参数，ti是高斯拉盖尔参数。
[0041]
(5)确定安全吞吐量
[0042]
按式(4)确定协作非正交多址接入系统的安全吞吐量t
est
：
[0043][0044]
其中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1～2bit/s/hz，p
sop
由式(3)获得。
[0045]
在本发明的步骤(1)的式(1)中，所述的n为近用户数量，n取值为2～10，k为被选中的用户，k取值为1～10。
[0046]
在本发明的步骤(4)的式(3)中，所述的rf为远用户的门限速率，rf取值为1bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.8，β是功率分裂因子，β取值为0.6，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为30db，α2是近用户的功率分配系数，α2取值为0.3，l是高斯切比雪夫参数，l取值为100，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为10。
[0047]
在本发明的步骤(5)的式(4)中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1.2bit/s/hz。
[0048]
由于本发明采用了协作非正交多址接入系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种用户配对方法和干扰选择方法，利用有限的频谱资源，提高了该系统的保密性能和安全吞吐量，经对比仿真实验，仿真实验结果表明，本发明的保密性能优于对比实验。本发明与对比实验相比，远用户的保密中断概率最大可以降低0.6035～0.75075，安全性能明显优于对比实验。本发明具有易于实现、方法简单、用户选择合理、保密性能良好、安全传输性能高等优点，可用于无线通信技术领域。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
[0050]
图2是本发明实施例1的对比仿真实验曲线。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于下述的实施方
式。
[0052]
实施例1
[0053]
在图1中，本实施例的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法由下述步骤组成：
[0054]
(1)确定配对近用户
[0055]
按式(1)确定与远用户配对的近用户uk：
[0056]
uk＝argmax|h
si
|2(5)
[0057]
其中，|h
si
|2表示信源节点到第i个用户的信道增益，i∈{1,...,n}，k表示第k个用户被选中，k∈{1,...,n}，n表示近用户的数量，n取值为2～10，k取值为1～10，本实施例n取值为5，k取值为3。
[0058]
(2)构建信号传输模型
[0059]
信号传输模型由信源节点与近用户节点、远用户节点依次串联，在信源节点与远用户节点处设置单天线，近用户节点处设置双天线，构建成信号传输模型。
[0060]
(3)确定干扰用户
[0061]
按式(2)确定发送人工噪声的干扰用户ur：
[0062]
ur＝randui(6)
[0063]
其中，ui表示第个用户，i∈{δ\k}，δ＝{1,2,
…
,n}。
[0064]
(4)确定保密中断概率
[0065]
按式(3)确定远用户的保密中断概率p
sop
：
[0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072]
ω
re
＝η
×
ρ
×
λ
re
[0073][0074]
λ
br
＝1
[0075][0076][0077][0078]
λ
bk
＝1.079
[0079]
ω
kf
＝η
×
β
×
ρ
×
λ
kf
[0080][0081][0082]
ω
se
＝εf×
α2×
ρ
×
λ
se
[0083]
λ
se
＝1
[0084][0085]
其中，rf为远用户的门限速率，rf取值为0～2bit/s/hz，本实施例的rf取值为1bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.1～1，本实施例的η取值为0.8，β是功率分裂因子，β取值为0～1，本实施例的β取值为0.6，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的ρ取值为30db，α2是近用户的功率分配系数，α2∈(0,0.5)，本实施例的α2取值为0.3，l是高斯切比雪夫参数，l取值为50～150，本实施例的l取值为100，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为1～15，本实施例的n1取值为10，vi是高斯拉盖尔参数，ti是高斯拉盖尔参数。
[0086]
(5)确定安全吞吐量
[0087]
按式(4)确定协作非正交多址接入系统的安全吞吐量t
est
：
[0088][0089]
其中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1～2bit/s/hz，本实施例的取值为1.2bit/s/hz，p
sop
由式(3)获得。
[0090]
完成基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法。
[0091]
由于本发明采用了协作非正交多址接入系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种用户配对方法和干扰选择方法，利用有限的频谱资源，提高了该系统的保密性能和安全吞吐量。
[0092]
实施例2
[0093]
本实施例的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法由下述步骤组成：
[0094]
(1)确定配对近用户
[0095]
在该步骤的式(1)中，|h
si
|2表示信源节点到第i个用户的信道增益，i∈{1,...,n}，k表示第k个用户被选中，k∈{1,...,n}，n表示近用户的数量，n为有限正整数，n取值为2
～10，k取值为1～10，本实施例n取值为2，k取值为1。
[0096]
该步骤的其他步骤与实施例1相同。
[0097]
(2)构建信号传输模型
[0098]
该步骤与实施例1相同。
[0099]
(3)确定干扰用户
[0100]
该步骤与实施例1相同。
[0101]
(4)确定保密中断概率
[0102]
在该步骤中，rf为远用户的门限速率，rf取值为0～2bit/s/hz，本实施例的rf取值为0bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.1～1，本实施例的η取值为0.1，β是功率分裂因子，β取值为0～1，本实施例的β取值为0，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的ρ取值为10db，α2是近用户的功率分配系数，α2∈(0,0.5)，本实施例的α2取值为0.1，l是高斯切比雪夫参数，l取值为50～150，本实施例的l取值为50，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为1～15，本实施例的n1取值为1，vi是高斯拉盖尔参数，ti是高斯拉盖尔参数。
[0103]
该步骤的其他步骤与实施例1相同。
[0104]
(5)确定安全吞吐量
[0105]
按式(4)确定协作非正交多址接入系统的安全吞吐量t
est
：
[0106][0107]
其中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1～2bit/s/hz，本实施例的取值为1bit/s/hz，p
sop
由式(3)获得。
[0108]
完成基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法。
[0109]
实施例3
[0110]
本实施例的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法由下述步骤组成：
[0111]
(1)确定配对近用户
[0112]
在该步骤的式(1)中，|h
si
|2表示信源节点到第i个用户的信道增益，i∈{1,...,n}，k表示第k个用户被选中，k∈{1,...,n}，n表示近用户的数量，n取值为2～10，k取值为1～10，本实施例n取值为10，k取值为7。
[0113]
该步骤的其他步骤与实施例1相同。
[0114]
(2)构建信号传输模型
[0115]
该步骤与实施例1相同。
[0116]
(3)确定干扰用户
[0117]
该步骤与实施例1相同。
[0118]
(4)确定保密中断概率
[0119]
在该步骤中，rf为远用户的门限速率，rf取值为0～2bit/s/hz，本实施例的rf取值为2bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.1～1，本实施例的η取值为1，β是功率分裂因子，β取值为0～1，本实施例的β取值为1，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的ρ取值为50db，α2是近用户的功率分配系数，α2∈(0,0.5)，本实施例的α2取值为0.4，l是高斯切比雪夫参数，l取值为50～150，本实施例的l取值为150，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值
为1～15，本实施例的n1取值为15，vi是高斯拉盖尔参数，ti是高斯拉盖尔参数。
[0120]
该步骤的其他步骤与实施例1相同。
[0121]
(5)确定安全吞吐量
[0122]
按式(4)确定协作非正交多址接入系统的安全吞吐量t
est
：
[0123][0124]
其中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1～2bit/s/hz，本实施例的取值为2bit/s/hz，p
sop
由式(3)获得。
[0125]
完成基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法。
[0126]
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法与配对近用户不确定且不选择干扰用户的协作非正交多址接入系统(以下简称对比实验方法1)、配对近用户确定且不选择干扰用户的协作非正交多址接入系统(以下简称对比实验方法2)、配对近用户不确定且选择干扰用户的协作非正交多址接入系统(以下简称对比实验方法3)进行了对比仿真实验，实验结果见图2，图2显示了发射信噪比(横坐标)与远用户保密中断概率(纵坐标)的关系。由图2可见，在n取值为5，每一个传输周期的发射信噪比为10db～50db时，本发明与对比实验方法1相比，远用户的保密中断概率降低了0.6035～0.756825，本发明与对比实验方法2相比，远用户的保密中断概率降低了0.3911～0.550925，本发明与对比实验方法3相比，远用户的保密中断概率降低了0.0491～0.003625。因此，本发明的保密性能明显优于对比实验方法1、对比实验方法2和对比实验方法3，在无线通信领域具有较高的实用性。

技术特征：
1.一种基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法，其特征在于它是由下述步骤组成：(1)确定配对近用户按式(1)确定与远用户配对的近用户u
k
：u
k
＝argmax|h
si
|2(1)其中，|h
si
|2表示信源节点到第i个用户的信道增益，i∈{1,...,n}，k表示第k个用户被选中，k∈{1,...,n}，n表示近用户的数量，n为有限正整数；(2)构建信号传输模型信号传输模型由信源节点与近用户节点、远用户节点依次串联，在信源节点与远用户节点处设置单天线，近用户节点处设置双天线，构建成信号传输模型；(3)确定干扰用户按式(2)确定发送人工噪声的干扰用户u
r
：u
r
＝randu
i
(2)其中，u
i
表示第个用户，i∈{δ\k}，δ＝{1,2,
…
,n}；(4)确定保密中断概率按式(3)确定远用户的保密中断概率p
sop
：：：：：：ω
re
＝η
×
ρ
×
λ
re
λ
br
＝1＝1
λ
bk
＝1.079ω
kf
＝η
×
β
×
ρ
×
λ
kfkf
ω
se
＝ε
f
×
α2×
ρ
×
λ
se
λ
se
＝1其中，r
f
为远用户的门限速率，r
f
取值为0～2bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.1～1，β是功率分裂因子，β取值为0～1，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为10～50db，α2是近用户的功率分配系数，α2∈(0,0.5)，l是高斯切比雪夫参数，l取值为50～150，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为1～15，v
i
是高斯拉盖尔参数，t
i
是高斯拉盖尔参数；(5)确定安全吞吐量按式(4)确定协作非正交多址接入系统的安全吞吐量t
est
：其中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1～2bit/s/hz，p
sop
由式(3)获得。2.根据权利要求1所述的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法，其特征在于：在步骤(1)的式(1)中，所述的n为近用户数量，n取值为2～10，k为被选中的用户，k取值为1～10。3.根据权利要求1所述的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法，其特征在于：在步骤(4)的式(3)中，所述的r
f
为远用户的门限速率，r
f
取值为1bit/s/hz，η是能量转换效率，η取值为0.8，β是功率分裂因子，β取值为0.6，ρ是信源节点的发射信噪比，ρ取值为30db，α2是近用户的功率分配系数，α2取值为0.3，l是高斯切比雪夫参数，l取值为100，n1是高斯拉盖尔参数，n1取值为10。4.根据权利要求1所述的基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法，其特征在于：在步骤(5)的式(4)中，是安全吞吐量条件下的远用户的门限速率，取值为1.2bit/s/hz。

技术总结
一种基于用户选择的协作非正交多址接入系统的安全传输方法，由确定配对近用户、构建信号传输模型、确定干扰用户、确定保密中断概率和确定安全吞吐量步骤组成。由于本发明采用了用户选择的协作非正交多址接入系统，建立了合理的信号传输模型，提出了用户选择方法，保证了系统的安全传输性能，与现有技术相比，在系统中存在外部窃听者的情况下，本发明有效降低了该系统中远用户的保密中断概率，提高了该系统的安全吞吐量。本发明具有易于实现、用户选择合理、保密性能良好等优点，可用于无线通信技术领域。信技术领域。信技术领域。


技术研发人员：任远 任静 张雪薇 卢光跃
受保护的技术使用者：西安邮电大学
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/10/15