基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，尤其是在对抗窃听时所采取的算法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术的发展，用户对安全性能提出了更高的要求。传统的加密方法 通常是应用在网络层和网络层W上，并且运些加密手段是W庞大的计算量为基础。但是，随 着计算机运算能力的快速提升，传统的加密方法不能保证信息传输的绝对安全，运激发了 广大研究工作者开始寻求利用物理层信道特征来进行数据信息加密。物理层作为开放式系 统互联网络0SI(化en System Interconnection)模型中的最底层，其安全是整个系统安全 的基础。随后，Wyner证明了在安全容量（即主信道容量与窃听信道容量之差)大于零的条件 下，可W实现完美的保密通信。目前，考虑较多的是在窃听用户相互独立的场景下，选择一 个最佳用户发送数据信息或者在发射端利用人工噪声来提高安全容量，改善安全性能。但 在具体应用时会有W下一些不足：
[0003] 首先，在实际场景中，窃听节点为了非法获取更多的有用信息，他们可W选择相互 协作的方式进行联合窃听。运样，仅靠一个最佳用户对抗窃听，并不能很好地提高安全性 能。其次，在发射端利用人工噪声的方法虽然会降低窃听信道的质量，但是如果发射功率一 定，同样会导致发送有用信号的功率减小，主信道质量也降低，运样就很难保证安全容量的 提升。另外，如果增加发射功率，就会造成额外的功率浪费。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种无线防窃听通信方法，既考虑到实际场景中窃听用户不 同的窃听方式，又能实现低功耗提升无线通信的安全性能。
[0005] 基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，应用于通过无线信道进行数据传输 的系统，所述系统包括至少两个源节点、一个目的节点和至少两个窃听节点，该方法包括W 下步骤:各源节点通过蓝牙方式进行数据交互，W使所有源节点同步发送相同的数据信息 给目的节点;根据主信道状态信息，各源节点对将要传输的数据信息进行预编码;各源节点 将各自预编码后的信息同时传输给目的节点，接着目的节点和窃听节点分别计算主信道和 窃听信道的信道容量，进一步得出无线信道传输的安全容量及窃听概率。
[0006] 所述各源节点对将要传输的数据信息进行预编码具体为：取最优预编码矩阵 ^ = 1^，其中1=[机，巧2，一，》]\^<表示第1^个源节点的预编码系数^=1，2^''，1，1为源节 点个数;H=比l，h2，…，hM]T，H表示主信道转移矩阵，hk为第k个源节点到目的节点之间的瞬 时信道增益系数，k=l，2，-，，M;则预编码后的数据信息为>其中f表示共辆转置运算， St为各源节点在时隙t发送给目的节点的相同的数据信息，其中t=l，2,3,…，Ts，Ts表示最 大的传输时隙。
[0007] 所述无线信道传输的安全容量及窃听概率的计算过程为：
[000引1)源节点到目的节点间主信道容量
其中，P为Μ 个源节点的总发射功率，No为目的节点处的噪声功率，hm为第m个源节点到目的节点之间的 瞬时信道增益系数，下标me表示主信道；
[0009] 当N个窃听节点独立窃听时，窃听信道的信道容量
其中gm,j表示第m个源节点到第j个窃听节点间的瞬时信道增益系数，*表示共辆运算，ε表示 由Ν个窃听节点组成的集合，下标ec表示窃听信道，上标i表示窃听节点间相互独立；当Ν个 窃听节点协作窃听时，窃听信道的信道容量表示为
，上标C表示 窃听节点间相互协作；
[0010] 2)进一步计算N个窃听用户独立和N个窃听用户协作的情况下无线信道的安全容 量和窃听概率，
[0011] N个窃听用户独立时：
[0017]其中{ar = max{a，0}，Cs为安全容量，Pint为窃听概率，上标i、c分别表示窃听节点 独立和协作。
[001引1、所述最优预编码矩阵W的计算过程为：目的节点接收到的信号y=wTHst+nd，其中nd 表示目的节点处的噪声；目的节点接收到信号的瞬时信噪比为：
当且仅当W = Hf时信噪比最大，即取最优预编码矩阵为\\ Π 此时信噪比可W表示成
[0019] 主信道容量和窃听信道容量的具体求法如下:信道信噪比为
利 用香农容量公式，计算出主信道的信道容量为
当N个窃听 节点相互独立窃听时，第j ( j = 1，2，3，…，N)个窃听节点窃听到的信号为：
,其中％j表示第j个窃听节点处的噪声，窃听能力最强的 窃听节点处的信噪比为
其中No表示第 j个窃听节点处噪声信号功率；当N个窃听节点协作窃听时，N个窃听节点采用最大比值合 并，则窃听节点接收信号的总信噪比为每个窃听节点接收信号的信噪比之和
[0020] 本发明与现有技术相比，具有W下优点：
[0021] 1.通过源节点间的相互协作能有效防止多窃听节点非法获取保密信息，提升无线 系统的安全容量，降低无线通信的窃听概率；
[0022] 2.多源节点之间通过蓝牙进行信息交互，运种低功耗的协作思想既能提升系统的 安全性能，又符合绿色通信的理念；
[0023] 3.多个窃听节点相互协作的模型，更符合实际场景，并且能更好地为研究无线通 信的安全提供理论基础。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法所应用的系统模 型图.
[0025] 图2为本发明实施例基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法流程图；
[0026] 图3为图1中的实施例源节点数及窃听节点数对安全容量的影响；
[0027] 图4为图1中的实施例源节点数及窃听节点数对窃听概率的影响。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0029] 如图1所示，本实施例系统模型包含4个源节点化~化，1个目的节点D，2个窃听节点 El和E2,各源节点间通过蓝牙进行数据信息的协作交互，运样可W保证每个源节点同步发送 数据信息;窃听节点间虚线表示窃听节点既可相互独立窃听，也可相互协作进行窃听。
[0030] 本实施例的流程如图2所示，
[0031] 1)该系统模型中包含4个协作源节点化~U4，1个目的节点D，2个窃听节点E，协作源 节点在发送第1时隙的数据信息前，源节点间通过蓝牙进行数据信息的协作交互，运样可W 保证每个源节点都能发送数据信息S1;
[0032] 2)根据已知的主信道转移矩阵H=比1山山也巧1'表示转置运算，}1。表示第111个源 节点到目的节点之间的瞬时信道增益系数，111=1，2,3,4，），源节点对通过蓝牙交互得到的 数据信息S1进行预编码，假设预编码矩阵1=[*1，*2，*3，*4]了(*1^表示第1^个源节点的预编码 系数，其中k=l，2,3,4)，为了最大化源节点到目的用户间的主信道容量，取最优预编码矩 阵W - H' (t表示共辆转置运算），则预编码后的信息为;
[0033] 3)4个协作源节点同时发送所述步骤2)中的预编码信息，相应的协作源节点到目 的节点间的主信道容量可W表示为：
其中下标me代表主信道，P为 4个协作源节点的总发射功率，No为目的节点处的噪声功率。在实际场景中，2个窃听节点之 间可W采取独立窃听和协作窃听两种不同的窃听方式。当2个窃听节点独立窃听时，窃听信 道的信道