協同通信技術中繼選擇方案研究

海軍工程大學 喻 鵬

協同通信是一種可以改變無線網絡速率和傳輸的技術，能夠擴大網絡覆蓋面積并且減少網絡能量的消耗，逐漸受到國家重視和工業的廣泛應用。目前，結合無線通信系統的傳輸特性，制定中繼選擇方案，通過算法確定中繼的物理位置。本文通過研究協同通信技術中繼選擇方案，判斷中繼節點位置信息的可靠性，這樣可以提高協同通信的保密容量。此外，對于網絡存在的黑客入侵者，引入人工噪聲技術，防止竊聽者侵入通信網絡。

隨著我國計算機技術的快速發展，協同通信技術越來越受人們的關注，應用無線通信技術的移動電話成為了人們生活中必不可少的。協同通信技術通過不斷地創新和改革，從模擬信號源發展道路數字信號源，但由于通信頻譜資源范圍比較狹窄，導致無線通信系統容量逐漸減小。為了能夠滿足人們的日常網絡通信需求，需要對通信技術融入中繼選擇方案，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點位置；這些節點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，尤其關于國家事件或機密等信息被竊聽，這會給國家帶來較大的麻煩。為了保證通信信息的可靠性、真實性，本文探究了協同通信技術中繼選擇方案，根據信息源的質量與緩存量判斷最佳的中繼節點，從而擴大通信信息的保密容量。

1 協同通信技術中繼選擇方案介紹

1.1 協同通信

協同通信和傳統的無線通信相比，系統網站與使用用戶之間的通信方式是不同的。協同通信是利用中繼方案或其他用戶的協助共同進行通信，保證了系統網站與用戶之間正常通信線路，不僅加強了通信線路，還能節約網絡資源。隨著科技的發展，協同通信以中國電信通信網、互聯網、移動網、增值業務網為平臺，以通信錄為基礎，將電腦、電話、手機、即時消息、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用戶推出的最先進的融合型通訊業務。協同通信網絡版提供的統一通訊服務，能有效降低綜合運營成本，提高團隊工作效率?，F在協同通信功能還能以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系統或APP對接后，可以實現電話外呼、錄音、電話會議等通訊功能。

面對人們對通訊技術的要求越來越高，不斷提高無線通信技術的傳輸速率和傳輸質量，這樣才能夠保障通訊技術的正常運用。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，它不僅能夠提高協同通信系統的傳輸速度，還能夠提升頻譜的使用率，同時擴大了通信信息容量，減少通信資源的浪費，對協同通信系統有很大的幫助。另外，面對不同用戶的需求不同，協同通信技術能夠設置不同的中繼方案，因此協同通信技術備受關注。

1.2 中繼選擇

中繼協同通信技術是利用系統收取信息資源的各個節點互相信息共享形成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，提高了系統信息的傳輸速度和傳輸質量，擴大了通信系統的范圍。在協同MIMO 系統中，中繼數量多少并不能表示系統的性能好壞，系統性能的提升也并不是中繼數量所能夠決定的，太多的中繼反而會給協同通信系統帶來麻煩，甚至造成系統的資源浪費。因此，在協同通信系統中合理中繼選擇，正是系統的核心思想。協同通信中繼選擇通過不同的中繼節點和源節點共同協同傳輸，能夠保障無線網絡的正常運行，還能夠降低信息發送頻率，減少系統的能量消耗。最常用的中繼選擇是三節點單向中繼系統模型（如圖1所示），該系統模型包含一個信息源節點S，一個信息目的節點D以及一個信息中繼節點K，當無線信號源距離較遠時，S與D就無法獲取完整的信息，這需要中繼節點K的協助，才能夠完成信息的完整傳輸。如果所有的中繼節點都采用半雙工模式工作，就會出現信號源在同一個頻路時無法同時接收和發送信息。在本文中，中繼選擇利用譯碼轉發方式,將信息源節點S與信息目的節點D相連接，協同中繼完成通信。

圖1 三節點單向中繼系統模型

1.3 人工噪聲

隨著計算機技術的發展，在無線通信過程中仍然會出現較多的非法竊聽頻道，雖然有保密通信系統，但由于非法竊聽頻道距離信息源距離較近時，保密容量就會逐漸減少變為零，這會使保密通信無法正常運行。為了解決信息安全問題，在協同通信技術中繼方案中加入人工噪聲技術，通信用戶在無線網絡信息交流時使用人工噪聲技術，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包括兩種：一種是產生源節點時發送人工噪聲，這樣源節點可以與多個天線共同運行；另一種是產生中繼節點時發送人工噪聲，這時源節點只能使用一根天線，此時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計，主要應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的安全性、可靠性。

1.4 保密容量

保密容量是指信息發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值的信息。隨著網絡技術的發展，為了能夠更加保證信息傳輸的機密性，研究發現有一種信道編碼，能夠增強信息傳輸的安全性；同時，協同通信技術中繼方案的推出，研究出信息傳輸過程中不被竊聽的高斯中斷網絡，從而擴大了通信信息的保密容量。

2 人工噪聲的協同通信中繼選擇方案研究

2.1 協同通信系統模型

研究表明，人工噪聲可以改善通信系統的保密容量，降低竊聽者的接受信噪比，同時不會對合法使用用戶造成任何影響。經過人工噪聲技術的處理，能夠在中繼節點到合法用戶之間的信道進行運行。協同通信系統模型如圖2所示。

圖2 協同通信系統

該模型設計了一個信息源節點S，一個信息目的節點D，一個信息竊聽節點E，以及多個中繼節點R1、R2、R3、……RN的協同通信系統。由于信息源節點和信息目的節點不能夠直接通信，需要通過中繼節點的協同作用，并且中繼節點采用了放大轉發的模式通信，因此需要源節點從多個中繼節點中選擇合適的協助轉發的信號源，這樣才能夠有效阻止竊聽者獲取重要信息。

2.2 協同通信的傳輸方式

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

2.3 仿真結果分析

如圖3所示，人工噪聲協同通信中繼選擇方案與最大信息鏈路選擇方案進行中斷概率對比。顯示表明，當中斷概率在10-6時，信息最大鏈路能夠達到1.5dB的增益，當中繼節點不斷增大時，人工噪聲中繼方案中保密容量逐漸增加，這是因為人工噪聲可以降低竊聽節點接受信息的信噪比，而人工噪聲的信號節點分布在合法接收者的信息通道中，這樣就不會影響目的節點接收信息，從而提高了系統的保密容量。

圖3 不同中繼方案的對比

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

3 保密容量的協同通信中繼方案的研究

3.1 傳統的竊聽系統

傳統的竊聽系統是由信息發送者、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，通信系統的各個信息節點都能夠接收到發送者的消息信號，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送端S，n個中繼節點R和m個合法接收點D以及非法竊聽節點E組成，該模型適用于實際通信系統中源節點和目的節點距離比較遠時。信號源傳播受到阻礙時，不能完成完整的信號通信，需要中繼節點的協助才能夠完成無線通信。中繼節點利用放大轉發方式，對中繼節點進行協議處理，即將發送端發送信號到中繼節點，中繼節點接收信號之后，將信號放大后發送到目的節點。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，源節點發送信號給中繼節點，設信號為s，第i個中繼節點Ri接受的信號為：

式(1)中，Ps是源節點的發生功率，hS,R是源節點與中繼節點之間的信道參數。

第二階段，各個中繼節點分別接受同一個消息信號，并進行放大轉發給各個信息用戶，這時就容易被非法竊聽節點接收到信號。此時，當j個信息用戶接收到的信號中繼節點第i個轉發的信號，通過放大處理，第j個用戶接收到的實際信號為：

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

則竊聽節點位置為同一個，以便快速確定非法竊聽者位置，防止信息丟失、泄露。

3.3 仿真結果分析

如圖5所示，在各個節點坐標圖中，中間連線的中點是最佳中繼節點的位置，如果該位置存在中繼節點，那么就選擇該位置進行協同通信；如果不存在中繼節點位置，則需要選擇次佳中繼節點選擇方案。如果仿真參數選擇合適，則不需要進行次佳中繼方案選擇；如不合適，則需要進行次佳中繼節點方案選擇進行協同通信。

圖5 各個節點坐標圖

總結：本文通過分析中繼節點的最佳位置，融入了人工噪聲的技術，并在特殊處理情況下，防止非法竊聽者侵入，減少非法竊聽節點位置，降低了竊聽節點的接收信噪比，從而不會對目的節點產生影響，因此能夠擴大協同通信系統的保密容量。在研究中運用了放大轉發模式的中繼協議，并未完全使用譯碼轉發模式進行中繼協議完成協同通信，如果研究可以繼續進展，可以研究譯碼轉發模式的中繼協議能否順利完成協同通信。在本文中只針對一個非法竊聽者進行研究，在實際通信過程中，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，為我國國家機密提供保護作用。