容量可W表示为
，其中上标i表示窃听节点间相互 独立，下标ec表示协作源节点到窃听节点间的窃听信道，gm,康示第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，W及ε = {1,2}表示由2个窃听节点组成的集 合。当2个窃听节点间协作窃听时，窃听节点接收信号的信噪比
気听 信道容量
[0034] 4)根据步骤3所述的信道容量），分别求出2个窃听用户独立和2个窃听用户相互协 作时的安全容量和窃听概率分别为：
[0037]下面给出在计算机上利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定 所有的无线信道独立同分布且是瑞利衰落的，I hm 12，I gmj 12分别服从均值为适、边的指数 分布，各节点处的噪声都是均值为0,方差为No的平稳高斯白噪声。变量MER( MER=l01ogl0(4,''q!)表示主信道与窃听信道均值之比，单位为地)从-10开始，步长为2,到 20 结束，巧;=().3，P = N〇 = 0 地m。
[0038] 图3为在不同协作源节点和窃听节点数的情况下，不同MER对应的安全容量曲线 图；从图3可知，无论是直传链路还是用户间协作，安全容量均随Μ邸的增加而增加;运也说 明当主信道的信道质量相对于窃听信道逐渐变好时，安全容量越来越大，无线信道的安全 性能越来越好。MER增加到一定程度时，窃听信道的信道质量相对于主信道变得越来越差， 此时的安全容量几乎由主信道来决定，因此不管是直传还是源节点间相互协作，当Μ邸大到 一定值时，安全容量均趋于平缓。图3表明当窃听节点数一样时，源节点协作时的安全容量 要大于直传链路的安全容量;另外，协作源节点数越多，可得到的安全容量越大。在ME時交低 并且相互协作的窃听节点数N = 4,而协作源用户数M = 2时，此时无线信道的安全容量会比 直传链路下的安全容量低。在协作源节点数相同的情况下，窃听节点数增加或者窃听节点 由独立窃听转为协作窃听都会降低无线信道的安全容量;而在实际情况中，可能会出现多 个窃听节点相互协作来非法获取源节点传输的数据信息。因此为了更好的对抗窃听行为， 在发送数据信息前，源节点可W采取相互协作并根据主信道状态信息进行预编码的方式共 同发送同一数据信息。
[0039] 图4为在不同协作源节点和窃听节点数的情况下，不同MER对应的窃听概率曲线 图；从图4可知，在协作源节点比窃听节点多时，源节点相互协作时的安全性能要比直传链 路下的安全性能好很多；协作源节点数目越多，窃听概率越小，安全性能越好。在协作源节 点数一定的情况下，窃听节点由独立获取转为协作获取源节点传输的数据信息时，窃听概 率变大，安全性能变差。当MER小于0dB，M = 2，N = 3时，仅含有2个协作源节点的无线通信系 统的安全性能要比直传链路的差，此时就无法进行保密通信，从运一点来看，考虑窃听用户 的协作对研究无线安全是很有必要的;但是当Μ邸不断增加时，该无线通信系统的安全性能 要比直传的好，运是因为，窃听信道相对于主信道的信道质量变差，窃听节点并不能成功窃 听到有用信息，运样就能保证源节点欲目的节点间的通信安全。
[0040] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括 由W上技术特征任意组合所组成的技术方案。
【主权项】
1. 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，其特征是，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； 根据主信道的相位与幅度衰落信息，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。2. 根据权利要求1所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，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W-H^其中W = [W1，W2,…，WM]T，wk表示第k个源节点的预编码系数，k=l，2,…，M，M为源节点个数;H=比1， 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11^，其中r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。3. 根据权利要求1所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，所述 无线信道传输的安全容量及窃听概率的计算过程为： 1) 源节点到目的节点间主信道容量其中，P为M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； 当N个窃听节点独立窃听时，窃听信道的信道容量 ，其中 gm,康示第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，e表示由N 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N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； 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， N个窃听用户独立时： 安全容量I窃听概率-N个窃听用户相互协作时：安全容量 窃听概率 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。4. 根据权利要求2所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，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 = wTH st+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 = IT时信噪比最大，即取最优预编码矩阵为W=Hf。此时信噪比可W表示成5. 根据权利要求3所述的基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，其特征是，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 = l，2,3,…，N)个窃听节点窃听到的信号为：>：^ =结心：+吃,， 其中\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.，窃听信道容量
【专利摘要】本发明公开了一种基于多个源节点协作的无线防窃听通信方法，各源节点通过蓝牙方式进行数据交互，以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。本发明通过源节点间协作以及预编码的方式，显著改善了无线传输的安全容量，有效地降低了无线传输的窃听概率，有助于解决实际的无线通信场景中存在多窃听节点所带来的安全问题。
【IPC分类】H04W24/06, H04W12/02, H04W4/00, H04L29/06
【公开号】CN105657700
【申请号】
【发明人】邹玉龙, 严培舜, 朱佳, 丁晓进, 孟庆民
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月10日