協(xié)同通信技術(shù)中繼選擇方案研究

海軍工程大學(xué) 喻 鵬

協(xié)同通信是一種可以改變無線網(wǎng)絡(luò)速率和傳輸?shù)募夹g(shù)，能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積并且減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，逐漸受到國家重視和工業(yè)的廣泛應(yīng)用。目前，結(jié)合無線通信系統(tǒng)的傳輸特性，制定中繼選擇方案，通過算法確定中繼的物理位置。本文通過研究協(xié)同通信技術(shù)中繼選擇方案，判斷中繼節(jié)點(diǎn)位置信息的可靠性，這樣可以提高協(xié)同通信的保密容量。此外，對于網(wǎng)絡(luò)存在的黑客入侵者，引入人工噪聲技術(shù)，防止竊聽者侵入通信網(wǎng)絡(luò)。

隨著我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，協(xié)同通信技術(shù)越來越受人們的關(guān)注，應(yīng)用無線通信技術(shù)的移動電話成為了人們生活中必不可少的。協(xié)同通信技術(shù)通過不斷地創(chuàng)新和改革，從模擬信號源發(fā)展道路數(shù)字信號源，但由于通信頻譜資源范圍比較狹窄，導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)容量逐漸減小。為了能夠滿足人們的日常網(wǎng)絡(luò)通信需求，需要對通信技術(shù)融入中繼選擇方案，這樣可以保證無線信號源的正常使用，還能夠擴(kuò)大無線通信范圍，并且通過判斷中繼概率，確定信息在傳輸過程中通信節(jié)點(diǎn)位置；這些節(jié)點(diǎn)位置有的是合法用戶，有的是非法竊聽者，這樣就容易造成信息泄露，尤其關(guān)于國家事件或機(jī)密等信息被竊聽，這會給國家?guī)磔^大的麻煩。為了保證通信信息的可靠性、真實(shí)性，本文探究了協(xié)同通信技術(shù)中繼選擇方案，根據(jù)信息源的質(zhì)量與緩存量判斷最佳的中繼節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)大通信信息的保密容量。

1 協(xié)同通信技術(shù)中繼選擇方案介紹

1.1 協(xié)同通信

協(xié)同通信和傳統(tǒng)的無線通信相比，系統(tǒng)網(wǎng)站與使用用戶之間的通信方式是不同的。協(xié)同通信是利用中繼方案或其他用戶的協(xié)助共同進(jìn)行通信，保證了系統(tǒng)網(wǎng)站與用戶之間正常通信線路，不僅加強(qiáng)了通信線路，還能節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。隨著科技的發(fā)展，協(xié)同通信以中國電信通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)、增值業(yè)務(wù)網(wǎng)為平臺，以通信錄為基礎(chǔ)，將電腦、電話、手機(jī)、即時(shí)消息、短信、電子郵件、多媒體會議等多種溝通手段融為一體，是中國電信面向企業(yè)用戶推出的最先進(jìn)的融合型通訊業(yè)務(wù)。協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)版提供的統(tǒng)一通訊服務(wù)，能有效降低綜合運(yùn)營成本，提高團(tuán)隊(duì)工作效率?，F(xiàn)在協(xié)同通信功能還能以API接口方式來對接，來滿足客戶的需求，是基于電信固話的通訊能力把通訊能力通過接口封裝后提供給合作伙伴，合作伙伴用自己的平臺、H5頁面、CRM系統(tǒng)或APP對接后，可以實(shí)現(xiàn)電話外呼、錄音、電話會議等通訊功能。

面對人們對通訊技術(shù)的要求越來越高，不斷提高無線通信技術(shù)的傳輸速率和傳輸質(zhì)量，這樣才能夠保障通訊技術(shù)的正常運(yùn)用。為了能夠利用頻譜資源提高傳輸速率，人們使用了多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，它不僅能夠提高協(xié)同通信系統(tǒng)的傳輸速度，還能夠提升頻譜的使用率，同時(shí)擴(kuò)大了通信信息容量，減少通信資源的浪費(fèi)，對協(xié)同通信系統(tǒng)有很大的幫助。另外，面對不同用戶的需求不同，協(xié)同通信技術(shù)能夠設(shè)置不同的中繼方案，因此協(xié)同通信技術(shù)備受關(guān)注。

1.2 中繼選擇

中繼協(xié)同通信技術(shù)是利用系統(tǒng)收取信息資源的各個節(jié)點(diǎn)互相信息共享形成MIMO信息資源通道，獲取更大的資源空間，有效減少無線通信中的信息遺漏，提高了系統(tǒng)信息的傳輸速度和傳輸質(zhì)量，擴(kuò)大了通信系統(tǒng)的范圍。在協(xié)同MIMO 系統(tǒng)中，中繼數(shù)量多少并不能表示系統(tǒng)的性能好壞，系統(tǒng)性能的提升也并不是中繼數(shù)量所能夠決定的，太多的中繼反而會給協(xié)同通信系統(tǒng)帶來麻煩，甚至造成系統(tǒng)的資源浪費(fèi)。因此，在協(xié)同通信系統(tǒng)中合理中繼選擇，正是系統(tǒng)的核心思想。協(xié)同通信中繼選擇通過不同的中繼節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)共同協(xié)同傳輸，能夠保障無線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，還能夠降低信息發(fā)送頻率，減少系統(tǒng)的能量消耗。最常用的中繼選擇是三節(jié)點(diǎn)單向中繼系統(tǒng)模型（如圖1所示），該系統(tǒng)模型包含一個信息源節(jié)點(diǎn)S，一個信息目的節(jié)點(diǎn)D以及一個信息中繼節(jié)點(diǎn)K，當(dāng)無線信號源距離較遠(yuǎn)時(shí)，S與D就無法獲取完整的信息，這需要中繼節(jié)點(diǎn)K的協(xié)助，才能夠完成信息的完整傳輸。如果所有的中繼節(jié)點(diǎn)都采用半雙工模式工作，就會出現(xiàn)信號源在同一個頻路時(shí)無法同時(shí)接收和發(fā)送信息。在本文中，中繼選擇利用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)方式,將信息源節(jié)點(diǎn)S與信息目的節(jié)點(diǎn)D相連接，協(xié)同中繼完成通信。

圖1 三節(jié)點(diǎn)單向中繼系統(tǒng)模型

1.3 人工噪聲

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在無線通信過程中仍然會出現(xiàn)較多的非法竊聽頻道，雖然有保密通信系統(tǒng)，但由于非法竊聽頻道距離信息源距離較近時(shí)，保密容量就會逐漸減少變?yōu)榱?，這會使保密通信無法正常運(yùn)行。為了解決信息安全問題，在協(xié)同通信技術(shù)中繼方案中加入人工噪聲技術(shù)，通信用戶在無線網(wǎng)絡(luò)信息交流時(shí)使用人工噪聲技術(shù)，能夠減少或者防止非法竊聽者侵入，保證了通信交流安全。目前，常用的人工噪聲技術(shù)包括兩種：一種是產(chǎn)生源節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)送人工噪聲，這樣源節(jié)點(diǎn)可以與多個天線共同運(yùn)行；另一種是產(chǎn)生中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)送人工噪聲，這時(shí)源節(jié)點(diǎn)只能使用一根天線，此時(shí)就需要中繼方案完成通信交流。人工噪音是一種特殊的聲音處理設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于合法的信息通道中，不僅能夠降低信息用戶的信噪比，還能夠降低非法竊聽者的信噪比，從而提高無線通信系統(tǒng)的安全性、可靠性。

1.4 保密容量

保密容量是指信息發(fā)送端將保密信息安全地傳送到合法用戶的最大傳輸速度，并在該速度下，非法竊聽者無法獲取有價(jià)值的信息。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為了能夠更加保證信息傳輸?shù)臋C(jī)密性，研究發(fā)現(xiàn)有一種信道編碼，能夠增強(qiáng)信息傳輸?shù)陌踩?；同時(shí)，協(xié)同通信技術(shù)中繼方案的推出，研究出信息傳輸過程中不被竊聽的高斯中斷網(wǎng)絡(luò)，從而擴(kuò)大了通信信息的保密容量。

2 人工噪聲的協(xié)同通信中繼選擇方案研究

2.1 協(xié)同通信系統(tǒng)模型

研究表明，人工噪聲可以改善通信系統(tǒng)的保密容量，降低竊聽者的接受信噪比，同時(shí)不會對合法使用用戶造成任何影響。經(jīng)過人工噪聲技術(shù)的處理，能夠在中繼節(jié)點(diǎn)到合法用戶之間的信道進(jìn)行運(yùn)行。協(xié)同通信系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 協(xié)同通信系統(tǒng)

該模型設(shè)計(jì)了一個信息源節(jié)點(diǎn)S，一個信息目的節(jié)點(diǎn)D，一個信息竊聽節(jié)點(diǎn)E，以及多個中繼節(jié)點(diǎn)R1、R2、R3、……RN的協(xié)同通信系統(tǒng)。由于信息源節(jié)點(diǎn)和信息目的節(jié)點(diǎn)不能夠直接通信，需要通過中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)同作用，并且中繼節(jié)點(diǎn)采用了放大轉(zhuǎn)發(fā)的模式通信，因此需要源節(jié)點(diǎn)從多個中繼節(jié)點(diǎn)中選擇合適的協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)的信號源，這樣才能夠有效阻止竊聽者獲取重要信息。

2.2 協(xié)同通信的傳輸方式

在協(xié)同通信中繼選擇過程中，主要傳輸方式分為兩個部分，第一，信息源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號S到中繼節(jié)點(diǎn)，如果源節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送信號時(shí)被特殊處理過，那么就需要編碼程序?qū)π盘栠M(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)到中繼節(jié)點(diǎn)，然后在繼續(xù)進(jìn)行解碼，這樣竊聽者才完全不能接收到源節(jié)點(diǎn)信息，確保信息的安全性、可靠性。第二，選擇最佳的源節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)RN，將信息放大并轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)D，由于中繼節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的傳播性，對信號源的傳輸速度非?？?，使信號源能快速傳到目的節(jié)點(diǎn)處，為了保證信息的安全性，在協(xié)同通信過程中選取多個中繼節(jié)點(diǎn)，并且每個中繼節(jié)點(diǎn)都能夠接收到源節(jié)點(diǎn)信號，而中繼節(jié)點(diǎn)會對合法的信息通道進(jìn)行處理，以便其他中繼節(jié)點(diǎn)影響竊聽者獲取信號，從而將信息安全被接收。

2.3 仿真結(jié)果分析

如圖3所示，人工噪聲協(xié)同通信中繼選擇方案與最大信息鏈路選擇方案進(jìn)行中斷概率對比。顯示表明，當(dāng)中斷概率在10-6時(shí)，信息最大鏈路能夠達(dá)到1.5dB的增益，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)不斷增大時(shí)，人工噪聲中繼方案中保密容量逐漸增加，這是因?yàn)槿斯ぴ肼暱梢越档透`聽節(jié)點(diǎn)接受信息的信噪比，而人工噪聲的信號節(jié)點(diǎn)分布在合法接收者的信息通道中，這樣就不會影響目的節(jié)點(diǎn)接收信息，從而提高了系統(tǒng)的保密容量。

圖3 不同中繼方案的對比

仿真結(jié)果分析：在信息源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)中間處是最佳中繼節(jié)點(diǎn)位置。然而，在實(shí)際通信過程中，信息源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)中間位置并不一定是最佳的中繼節(jié)點(diǎn)。針對這種情況的出現(xiàn)，需要對次佳中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇，并結(jié)合次佳中繼方案選取合適的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同通信，從而獲取最為保密的信息通道；同時(shí)，利用仿真方案與無人工噪聲的協(xié)同通信中繼方案進(jìn)行對比，結(jié)果證明添加人工噪聲可以有效提高協(xié)同通信系統(tǒng)的保密容量。

3 保密容量的協(xié)同通信中繼方案的研究

3.1 傳統(tǒng)的竊聽系統(tǒng)

傳統(tǒng)的竊聽系統(tǒng)是由信息發(fā)送者、信息合法接收者和非法竊聽者組成。由于無線通信信道具有快速傳播的特性，通信系統(tǒng)的各個信息節(jié)點(diǎn)都能夠接收到發(fā)送者的消息信號，信號不僅能夠被合法的接收者獲取，還能夠被非法竊聽者接收。在同一個通信系統(tǒng)中，合法接收者和非法竊聽者接收到的消息信號基本相同，只不過信號傳輸過程中的信號狀態(tài)不一致，這樣就容易造成重要信息泄露，缺乏安全性。

3.2 無線信道模型

如圖4所示，多用戶無線竊聽信道模型是由一個信號發(fā)送端S，n個中繼節(jié)點(diǎn)R和m個合法接收點(diǎn)D以及非法竊聽節(jié)點(diǎn)E組成，該模型適用于實(shí)際通信系統(tǒng)中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)距離比較遠(yuǎn)時(shí)。信號源傳播受到阻礙時(shí)，不能完成完整的信號通信，需要中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)助才能夠完成無線通信。中繼節(jié)點(diǎn)利用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式，對中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)議處理，即將發(fā)送端發(fā)送信號到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)接收信號之后，將信號放大后發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。這個過程需要兩個傳輸階段，分析如下：

圖4 多用戶無線竊聽信道模型

第一階段，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號給中繼節(jié)點(diǎn)，設(shè)信號為s，第i個中繼節(jié)點(diǎn)Ri接受的信號為：

式(1)中，Ps是源節(jié)點(diǎn)的發(fā)生功率，hS,R是源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道參數(shù)。

第二階段，各個中繼節(jié)點(diǎn)分別接受同一個消息信號，并進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)給各個信息用戶，這時(shí)就容易被非法竊聽節(jié)點(diǎn)接收到信號。此時(shí)，當(dāng)j個信息用戶接收到的信號中繼節(jié)點(diǎn)第i個轉(zhuǎn)發(fā)的信號，通過放大處理，第j個用戶接收到的實(shí)際信號為：

然而，非法竊聽者也會受到同樣的信號。由于最佳中繼節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)之間存在距離，如果在第j個中繼節(jié)點(diǎn)位置添加人工噪聲，擴(kuò)大了信道容量，確定出最佳的中繼節(jié)點(diǎn)位置， 那么，最佳節(jié)點(diǎn)位置到節(jié)點(diǎn)距離為：

則竊聽節(jié)點(diǎn)位置為同一個，以便快速確定非法竊聽者位置，防止信息丟失、泄露。

3.3 仿真結(jié)果分析

如圖5所示，在各個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)圖中，中間連線的中點(diǎn)是最佳中繼節(jié)點(diǎn)的位置，如果該位置存在中繼節(jié)點(diǎn)，那么就選擇該位置進(jìn)行協(xié)同通信；如果不存在中繼節(jié)點(diǎn)位置，則需要選擇次佳中繼節(jié)點(diǎn)選擇方案。如果仿真參數(shù)選擇合適，則不需要進(jìn)行次佳中繼方案選擇；如不合適，則需要進(jìn)行次佳中繼節(jié)點(diǎn)方案選擇進(jìn)行協(xié)同通信。

圖5 各個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)圖

總結(jié)：本文通過分析中繼節(jié)點(diǎn)的最佳位置，融入了人工噪聲的技術(shù)，并在特殊處理情況下，防止非法竊聽者侵入，減少非法竊聽節(jié)點(diǎn)位置，降低了竊聽節(jié)點(diǎn)的接收信噪比，從而不會對目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，因此能夠擴(kuò)大協(xié)同通信系統(tǒng)的保密容量。在研究中運(yùn)用了放大轉(zhuǎn)發(fā)模式的中繼協(xié)議，并未完全使用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)行中繼協(xié)議完成協(xié)同通信，如果研究可以繼續(xù)進(jìn)展，可以研究譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式的中繼協(xié)議能否順利完成協(xié)同通信。在本文中只針對一個非法竊聽者進(jìn)行研究，在實(shí)際通信過程中，存在較多的非法竊聽者，如果多方面研究竊聽者使用的手段，更能夠防止信息泄露，為我國國家機(jī)密提供保護(hù)作用。