本技术介绍了一种协同干扰策略,旨在提升非正交多址通信系统的安全性。该方法分为三个阶段:第一阶段,基站发送叠加信号;第二阶段,远端用户发送干扰信号以抑制不可信中继的影响。
背景技术
随着物联网和无线通信技术的飞速发展,在数据速率、时延、频谱效率、通信覆盖率以及海量设备连接等方面对无线通信系统提出了更高的要求。非正交多址接入作为一种极具潜力的技术,极大地缓解了由稀缺的频谱资源和海量设备接入所带来无线通信系统的压力,本发明特指功率域非正交多址接入,下文不再赘述。直传和中继协作传输技术不仅提高了网络的覆盖范围,在不影响系统的性能前提下,还充分利用先验信息删除不可信中继转发链路对近用户的干扰,实现通信链路并行传输的目的,进一步提高频谱效率。物理层安全是在信息论的基础上发展而来的一种信息加密技术,是区别于密码学等传统加密手段的一种补充技术,具体来说增加主信道和窃听信道的容量差来达到安全传输目的,在理论上来说是可以实现信息传输的绝对安全。
如附图1所示,考虑存在一个近用户和一个远用户构成一对非正交多址用户的下行非正交多址通信模型。图中UN和UF分别为近用户和远用户。基站S采用叠加编码,原理是:把两个用户的信号以不同功率叠加发送。由于UN为近用户,信道条件优于远用户UF,为其分配的功率小于远用户UF,解码时执行串行干扰消除,先将UN的信号视为干扰,解码UF的信号,从叠加信号中删除UF的信号,再解出自己的信号。UF为非正交多址接入系统中的弱用户,解码时将UN的信号视为干扰,解码自己的信号。非正交多址接入技术在发送端采用了叠加编码,将信道条件弱的用户信息以低码率叠加到信道条件强的用户信息上,实现多用户信息叠加传输。在接收端上利用串行干扰消除技术消除同信道干扰,提高解码信噪比。
直传和中继协作传输技术和非正交多址结合,不仅提高了通信系统的覆盖范围,还充分利用先验信息删除干扰,实现通信链路并行传输,进一步提高频谱效率。如附图2所示,该系统由一个基站S、一个近用户UN、一个远用户UF和一个不可信中继节点组成。具体流程:第一时隙基站广播下行非正交多址接入信号,UN基于串行干扰消除先解码UF的信号,移除后再解码自己的信号,不可信中继以远用户形式解码目的信号x2;第二时隙不可信中继转发远用户信号,基站发送新信号给近用户,此时近用户已经解码过了远用户信号,不受不可信中继转发干扰;且远用户接受不到基站的新信号干扰,实现通信链路并行。该系统表述为无线蜂窝网络中存在一对由基站直接提供服务的近用户和一个需要不可信中继辅助与基站通信的远用户,利用近用户在第一时隙获取的先验信息,可以删除来自不可信中继转发所带来的干扰,达到互不干扰的并行传输目的。
物理层安全是基于无线信道的随机性和时变性等复杂的时空特性,利用信号处理技术来实现信息的安全传输。当主信道的信道状况优于窃听信道的信道状况时,在合法用户的收发两端进行信息传输时,一定存在一种编码方式可以实现传输信息错误的概率任意小,窃听者得不到全部的有用信息,从而达到安全传输的目的。在物理层安全研究中,能否获取到窃听节点的信道状态信息对系统的安全性能有着重大的影响。一般来说,源节点拥有窃听节点的信道状态信息的场景称之为主动窃听,否则称之为被动窃听。在主动窃听场景下,源节点可以基于窃听节点的信道状态信息动态调整发送策略,获得一个相对安全的通信场景。
在窃听信道中,由于窃听节点的存在,需同时保证信息传输的可靠性与安全性。此时,系统的信息传输速率存在上限,该系统最大的信息传输速率即为安全速率,其数学表达式如下:
其中[x]+=max(0,x),CB和CE分别代表主链路和窃听链路的信道容量,γB和γE分别为主链路和窃听链路的信噪比。物理层安全研究领域常用的性能指标有遍历安全速率和安全中断概率等。其中遍历安全速率定义为:
其中,为求期望运算符,f(γB,γE)表示目的节点和窃听节点信噪比的联合概率密度函数,遍历安全速率表征为系统安全速率的统计平均值。
将非正交多址接入、直传和中继协作传输技术和物理层安全理论相结合,共同设计通信系统;既实现了高速率、海量连接和高频谱效率的优势,又引入安全性能考虑,将在现代化通信领域展现出巨大的应用前景。
实现思路