無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法，包括：第一傳輸階段：所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送簇簇頭將信息發(fā)送至發(fā)送簇簇內(nèi)選定的中繼節(jié)點，并由選定的第一組干擾節(jié)點對竊聽者進行干擾；第二傳輸階段：所述中繼節(jié)點將所述信息發(fā)送至所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的接收簇簇頭，并由選定的第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾。通過采用本發(fā)明所提供的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法，可以選取最優(yōu)的中繼節(jié)點協(xié)作傳輸信息，并可以選取最優(yōu)的干擾節(jié)點干擾竊聽者，從而在一定發(fā)送功率下使得傳輸過程中的安全信息速率最大化，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的安全性能。
【專利說明】無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，特別涉及無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線多跳網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為時下無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中一個研究的熱點，隨著無線多跳網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣。最近的研究成果表明，在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中利用中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸可以有效改善通信質(zhì)量、提供無線多跳網(wǎng)絡(luò)的性能。然而，利用中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸可能會帶來通信的安全問題，例如，發(fā)送簇簇內(nèi)、接收簇簇內(nèi)或簇間的節(jié)點中可能存在竊聽者對無線多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⑦M行竊聽。
[0003]現(xiàn)有的保證無線多跳網(wǎng)絡(luò)通信安全的方案通常都是與其他技術(shù)相結(jié)合的，例如，通過上層的加密技術(shù)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕@樣往往使得整個方案較為復(fù)雜，而且，現(xiàn)有技術(shù)中鮮有方案能夠解決無線多跳網(wǎng)絡(luò)中利用中繼節(jié)點協(xié)作傳輸帶來的安全問題，尤其地，現(xiàn)有技術(shù)中尚無用于在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中利用協(xié)作傳輸干擾竊聽者的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作傳輸中的信息安全問題。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為此目的，本發(fā)明提出了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法，包括:第一傳輸階段:所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送簇簇頭將信息發(fā)送至發(fā)送簇簇內(nèi)選定的中繼節(jié)點，并由選定的第一組干擾節(jié)點對竊聽者進行干擾；第二傳輸階段:所述中繼節(jié)點將所述信息發(fā)送至所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的接收簇簇頭，并由選定的第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾。
[0008]在上述方法中，所述第一組干擾節(jié)點包括:對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點；所述第二組干擾節(jié)點包括:對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點、對接收簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的接收簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點。
[0009]優(yōu)選地，在所述第二傳輸階段中，所述中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式將所述信息發(fā)送至所述接收簇簇頭，并且所述中繼節(jié)點的信息速率不小于所述接收簇簇頭的信息速率。
[0010]優(yōu)選地，所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾包括:所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點向所述竊聽者發(fā)送預(yù)設(shè)的干擾信號。
[0011]優(yōu)選地，在所述第一傳輸階段前將所述預(yù)設(shè)的干擾信號告知所述中繼節(jié)點和所述接收簇簇頭以便所述中繼節(jié)點和所述接收簇簇頭在所述第一傳輸階段和第二傳輸階段中消除所述干擾信號的影響。
[0012]優(yōu)選地，所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾包括:使所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點定向向所述竊聽者發(fā)送干擾信號。
[0013]優(yōu)選地，選擇所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的步驟包括:列出所有能作為所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的節(jié)點組合；基于所列出的每一組節(jié)點組合，在一定發(fā)送功率下，計算所述第一傳輸階段的安全信息速率和所述第二傳輸階段的安全信息速率；選擇使所述第一傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第一組干擾節(jié)點作為所述選定的第一組干擾節(jié)點，選擇使所述第二傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第二組干擾節(jié)點作為所述選定的第二組干擾節(jié)點，選擇使所述第一傳輸階段的安全信息速率和所述第二傳輸階段的安全信息速率中的較小者最大化的節(jié)點組合中的中繼節(jié)點作為所述選定的中繼節(jié)點。
[0014]優(yōu)選地，所述第一傳輸階段的安全信息速率為所述第一傳輸階段中所述中繼節(jié)點的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者和所述簇間竊聽者最大信息速率的較大者之間的差，所述第二傳輸階段的安全信息速率為所述第二傳輸階段中所述接收簇簇頭的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者、所述簇間竊聽者和所述接收簇簇內(nèi)竊聽者最大信息速率的最大者之間的差。
[0015]優(yōu)選地，選擇所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的步驟還包括:獲取所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的功率分配權(quán)值。
[0016](三)有益效果
[0017]本發(fā)明所提供的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法能夠選取最優(yōu)的中繼節(jié)點及第一和第二組干擾節(jié)點，使得傳輸過程中的安全信息速率最大化。本發(fā)明填補了現(xiàn)有技術(shù)中尚無在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中利用中繼節(jié)點協(xié)作傳輸來干擾竊聽者的技術(shù)方案的空白，同時使得在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中利用中繼節(jié)點協(xié)作傳輸時，不再需要結(jié)合加密技術(shù)等其他技術(shù)即可保障信息傳輸?shù)陌踩浴?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的示意圖；
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的流程圖；
[0020]圖3A是根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的第一傳輸階段的示意圖；
[0021]圖3B是根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的第二傳輸階段的示意圖；
[0022]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的中繼節(jié)點和各干擾節(jié)點選取流程圖；
[0023]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的傳輸方法與現(xiàn)有技術(shù)中的傳輸方法的安全中斷概率與發(fā)送功率的仿真對比圖；
[0024]圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的傳輸方法與現(xiàn)有技術(shù)中的傳輸方法的安全中斷概率 與候選節(jié)點的仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的示意圖。如圖1所示，S、D分別為源節(jié)點和目的節(jié)點，兩者相距較遠，需要通過中間節(jié)點協(xié)助進行通信，這些中間節(jié)點形成中繼節(jié)點，由同一簇內(nèi)的節(jié)點將信息傳輸至下一個簇，以此通過中繼簇將信息由源節(jié)點S傳輸至目的節(jié)點D。在發(fā)送簇簇內(nèi)、接收簇簇內(nèi)和發(fā)送簇與接收簇的簇間存在竊聽者對傳輸過程進行竊聽，為了保證通信過程的安全性，通過對竊聽者發(fā)送干擾信號以抑制其竊聽。由于每一組發(fā)送簇和接收簇間的數(shù)據(jù)傳輸過程是相似的，因此可以通過一組發(fā)送簇和接收簇的數(shù)據(jù)傳輸過程來描述該方法。
[0026]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的流程圖。如圖2所示，該傳輸方法可以包括:
[0027]第一傳輸階段:發(fā)送簇簇頭將信息發(fā)送至發(fā)送簇簇內(nèi)選定的中繼節(jié)點，并由選定的第一組干擾節(jié)點對竊聽者進行干擾；
[0028]第二傳輸階段:所述中繼節(jié)點優(yōu)選地以DF (Decode-and-Forward,解碼轉(zhuǎn)發(fā))的方式將信息發(fā)送至接收簇簇頭，并由選定的第二組干擾節(jié)點對竊聽者進行干擾。
[0029]圖3A和3B分別示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法的第一和第二傳輸階段的不意圖。
[0030]如圖3A所示，在第一傳輸階段中，發(fā)送簇簇頭將信息發(fā)送至中繼節(jié)點，在這一過程中，發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者和簇間竊聽者(可以忽略接收簇簇內(nèi)竊聽者的影響)會對信息進行竊聽，需要選擇第一組干擾節(jié)點來對上述竊聽者進行干擾。對于發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者，可以在發(fā)送簇簇內(nèi)選擇合適的干擾節(jié)點對其進行干擾，對于簇間竊聽者，可以在發(fā)送簇和接收簇簇內(nèi)選擇合適的干擾節(jié)點對其進行干擾。即第一組干擾節(jié)點包括對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點。
[0031]如圖3B所示，在第二傳輸階段中，中繼節(jié)點將信息發(fā)送至接收簇簇頭，在這一過程中，發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者、簇間竊聽者和接收簇簇內(nèi)竊聽者都會對信息進行竊聽，需要選擇第二組干擾節(jié)點來對上述竊聽者進行干擾。對于發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者，可以在發(fā)送簇簇內(nèi)選擇合適的干擾節(jié)點對其進行干擾，對于接收簇簇內(nèi)竊聽者，可以在接收簇簇內(nèi)選擇合適的干擾節(jié)點對其進行干擾，對于簇間竊聽者，可以在發(fā)送簇或接收簇簇內(nèi)選擇合適的干擾節(jié)點對其進行干擾。即第二組干擾節(jié)點包括對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點、對接收簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的接收簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點。
[0032]為了保證傳輸過程的安全性，需要在發(fā)送簇內(nèi)選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點，同時針對各竊聽者在發(fā)送簇或接收簇內(nèi)選取最優(yōu)的干擾節(jié)點對竊聽者進行相應(yīng)的干擾。在下文中，將會詳細描述中繼節(jié)點與干擾節(jié)點的選取方法。
[0033]圖4示出了根據(jù)本實施例的中繼節(jié)點和各干擾節(jié)點選取流程圖。如圖4所示，第一傳輸階段和第二傳輸階段中的中繼節(jié)點和各干擾節(jié)點的選取方法如下:
[0034]S41:列出所有可作為中繼節(jié)點、第一組干擾節(jié)點和第二組干擾節(jié)點的節(jié)點組合；
[0035]S42:基于所列出的每一組節(jié)點組合，計算第一傳輸階段的安全信息速率和第二傳輸階段的安全信息速率；
[0036]S43:選擇使第一傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第一組干擾節(jié)點作為最優(yōu)的第一組干擾節(jié)點，選擇使第二傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第二組干擾節(jié)點作為最優(yōu)的第二組干擾節(jié)點，選擇使第一傳輸階段的安全信息速率和第二傳輸階段的安全信息速率中的較小者最大化的節(jié)點組合中的中繼節(jié)點作為最優(yōu)的中繼節(jié)點。其中，所述第一傳輸階段的安全信息速率為所述第一傳輸階段中所述中繼節(jié)點的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者和所述簇間竊聽者最大信息速率的較大者之間的差，所述第二傳輸階段的安全信息速率為所述第二傳輸階段中所述接收簇簇頭的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者、所述簇間竊聽者和所述接收簇簇內(nèi)竊聽者最大信息速率的最大者之間的差。
[0037]在根據(jù)本實施例的傳輸方法中，設(shè)定整個傳輸過程的總功率，在選擇中繼節(jié)點以及第一和第二組干擾節(jié)點的同時，獲得中繼節(jié)點以及第一和第二組干擾節(jié)點的功率分配權(quán)值。之后，中繼節(jié)點以及第一和第二組干擾節(jié)點根據(jù)其功率分配權(quán)值進行相應(yīng)傳輸。具體而言，可以設(shè)定整個傳輸階段的總發(fā)送功率為Ptl，第一傳輸階段中各節(jié)點的總發(fā)送功率為P(1)，第二傳輸階段中各節(jié)點的總發(fā)送功率為P(2)，其中，P(1)+Pia=Pc^
[0038]I)第一傳輸階段:
[0039]可以設(shè)定發(fā)送簇簇頭的發(fā)送功率為Pht ;可以設(shè)定所有發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點的發(fā)送功率之和為Pi⑴，并用表示發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點集合的權(quán)值分配向量；可以設(shè)定
所有簇間干擾節(jié)點的發(fā)送功率之和為pg),并用Wp)表示簇間干擾節(jié)點集合的權(quán)值分配向
量；可以設(shè)定位于發(fā)送簇簇內(nèi)的簇間干擾節(jié)點的發(fā)送功率之和為Ρ?ω，并用wp1)表示該節(jié)點集合的權(quán)值分配向量。其中,Ot為共軛轉(zhuǎn)置算子，各節(jié)點的發(fā)送功率之和為第一傳輸階段的總發(fā)送功率，即:PHT+PJ(:1)+lf)=P⑴。
[0040]以各表示發(fā)送簇簇頭發(fā)送的信息，2:表示預(yù)設(shè)的干擾信號。
[0041]中繼節(jié)點接收到的信號為:
[0042]
[0043]其中，nE為中繼節(jié)點接收到的噪聲，nE服從高斯分布CN~(0，σ 2)，hHTE表示發(fā)送簇簇頭Ht與中繼節(jié)點的信道增益，hji1)和分別表示發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點集合和簇間干擾節(jié)點與中繼節(jié)點的信道增益向量。
[0044]需要說明的是，可以在第一傳輸階段前，預(yù)先將預(yù)設(shè)的干擾信號告知中繼節(jié)點和接收簇簇頭，以便中繼節(jié)點和接收簇簇頭可以在第一和第二傳輸階段中消除干擾信號的影響；或者，還可以通過無線定向傳輸技術(shù)，使第一和第二組干擾節(jié)點定向地向?qū)?yīng)的竊聽者發(fā)送干擾信號，從而直接避免干擾信號對中繼節(jié)點的影響。因此，根據(jù)香農(nóng)公式，可以得到中繼節(jié)點的最大信息速率為；
【權(quán)利要求】
1.一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于簇的協(xié)作干擾傳輸方法，包括: 第一傳輸階段:所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送簇簇頭將信息發(fā)送至發(fā)送簇簇內(nèi)選定的中繼節(jié)點，并由選定的第一組干擾節(jié)點對竊聽者進行干擾； 第二傳輸階段:所述中繼節(jié)點將所述信息發(fā)送至所述無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的接收簇簇頭，并由選定的第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一組干擾節(jié)點包括:對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二組干擾節(jié)點包括:對發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的發(fā)送簇簇內(nèi)干擾節(jié)點、對接收簇簇內(nèi)竊聽者進行干擾的接收簇簇內(nèi)干擾節(jié)點和對簇間竊聽者進行干擾的簇間干擾節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述第二傳輸階段中，所述中繼節(jié)點采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式將所述信息發(fā)送至所述接收簇簇頭，并且所述中繼節(jié)點的信息速率不小于所述接收簇簇頭的信息速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾包括:所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點向所述竊聽者發(fā)送預(yù)設(shè)的干擾信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括:在所述第一傳輸階段前將所述預(yù)設(shè)的干擾信號告知所述中繼節(jié)點和所述接 收簇簇頭以便所述中繼節(jié)點和所述接收簇簇頭在所述第一傳輸階段和第二傳輸階段中消除所述干擾信號的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點對所述竊聽者進行干擾包括:使所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點定向向所述竊聽者發(fā)送干擾信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其中，選擇所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的步驟包括: 列出所有能作為所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的節(jié)點組合； 基于所列出的每一組節(jié)點組合，在一定發(fā)送功率下，計算所述第一傳輸階段的安全信息速率和所述第二傳輸階段的安全信息速率； 選擇使所述第一傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第一組干擾節(jié)點作為所述選定的第一組干擾節(jié)點，選擇使所述第二傳輸階段的安全信息速率最大化的節(jié)點組合中的第二組干擾節(jié)點作為所述選定的第二組干擾節(jié)點，選擇使所述第一傳輸階段的安全信息速率和所述第二傳輸階段的安全信息速率中的較小者最大化的節(jié)點組合中的中繼節(jié)點作為所述選定的中繼節(jié)點。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第一傳輸階段的安全信息速率為所述第一傳輸階段中所述中繼節(jié)點的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者和所述簇間竊聽者最大信息速率的較大者之間的差，所述第二傳輸階段的安全信息速率為所述第二傳輸階段中所述接收簇簇頭的最大信息速率與所述發(fā)送簇簇內(nèi)竊聽者、所述簇間竊聽者和所述接收簇簇內(nèi)竊聽者最大信息速率的最大者之間的差。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其中，選擇所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的步驟還包括:獲取所述中繼節(jié)點、所述第一組干擾節(jié)點和所述第二組干擾節(jié)點的功率分配權(quán)值。
【文檔編號】H04K3/00GK103475441SQ201310320208
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】王莉, 馬躍, 滿毅, 曹春艷, 都晨輝, 張勇, 滕穎蕾, 劉洋, 魏翼飛, 宋梅, 陶雄強, 雷旭 申請人:北京郵電大學(xué)