协同通信技术中继选择方案研究

海军工程大学 喻 鹏

协同通信是一种可以改变无线网络速率和传输的技术，能够扩大网络覆盖面积并且减少网络能量的消耗，逐渐受到国家重视和工业的广泛应用。目前，结合无线通信系统的传输特性，制定中继选择方案，通过算法确定中继的物理位置。本文通过研究协同通信技术中继选择方案，判断中继节点位置信息的可靠性，这样可以提高协同通信的保密容量。此外，对于网络存在的黑客入侵者，引入人工噪声技术，防止窃听者侵入通信网络。

随着我国计算机技术的快速发展，协同通信技术越来越受人们的关注，应用无线通信技术的移动电话成为了人们生活中必不可少的。协同通信技术通过不断地创新和改革，从模拟信号源发展道路数字信号源，但由于通信频谱资源范围比较狭窄，导致无线通信系统容量逐渐减小。为了能够满足人们的日常网络通信需求，需要对通信技术融入中继选择方案，这样可以保证无线信号源的正常使用，还能够扩大无线通信范围，并且通过判断中继概率，确定信息在传输过程中通信节点位置；这些节点位置有的是合法用户，有的是非法窃听者，这样就容易造成信息泄露，尤其关于国家事件或机密等信息被窃听，这会给国家带来较大的麻烦。为了保证通信信息的可靠性、真实性，本文探究了协同通信技术中继选择方案，根据信息源的质量与缓存量判断最佳的中继节点，从而扩大通信信息的保密容量。

1 协同通信技术中继选择方案介绍

1.1 协同通信

协同通信和传统的无线通信相比，系统网站与使用用户之间的通信方式是不同的。协同通信是利用中继方案或其他用户的协助共同进行通信，保证了系统网站与用户之间正常通信线路，不仅加强了通信线路，还能节约网络资源。随着科技的发展，协同通信以中国电信通信网、互联网、移动网、增值业务网为平台，以通信录为基础，将电脑、电话、手机、即时消息、短信、电子邮件、多媒体会议等多种沟通手段融为一体，是中国电信面向企业用户推出的最先进的融合型通讯业务。协同通信网络版提供的统一通讯服务，能有效降低综合运营成本，提高团队工作效率。现在协同通信功能还能以API接口方式来对接，来满足客户的需求，是基于电信固话的通讯能力把通讯能力通过接口封装后提供给合作伙伴，合作伙伴用自己的平台、H5页面、CRM系统或APP对接后，可以实现电话外呼、录音、电话会议等通讯功能。

面对人们对通讯技术的要求越来越高，不断提高无线通信技术的传输速率和传输质量，这样才能够保障通讯技术的正常运用。为了能够利用频谱资源提高传输速率，人们使用了多输入多输出（MIMO）技术，它不仅能够提高协同通信系统的传输速度，还能够提升频谱的使用率，同时扩大了通信信息容量，减少通信资源的浪费，对协同通信系统有很大的帮助。另外，面对不同用户的需求不同，协同通信技术能够设置不同的中继方案，因此协同通信技术备受关注。

1.2 中继选择

中继协同通信技术是利用系统收取信息资源的各个节点互相信息共享形成MIMO信息资源通道，获取更大的资源空间，有效减少无线通信中的信息遗漏，提高了系统信息的传输速度和传输质量，扩大了通信系统的范围。在协同MIMO 系统中，中继数量多少并不能表示系统的性能好坏，系统性能的提升也并不是中继数量所能够决定的，太多的中继反而会给协同通信系统带来麻烦，甚至造成系统的资源浪费。因此，在协同通信系统中合理中继选择，正是系统的核心思想。协同通信中继选择通过不同的中继节点和源节点共同协同传输，能够保障无线网络的正常运行，还能够降低信息发送频率，减少系统的能量消耗。最常用的中继选择是三节点单向中继系统模型（如图1所示），该系统模型包含一个信息源节点S，一个信息目的节点D以及一个信息中继节点K，当无线信号源距离较远时，S与D就无法获取完整的信息，这需要中继节点K的协助，才能够完成信息的完整传输。如果所有的中继节点都采用半双工模式工作，就会出现信号源在同一个频路时无法同时接收和发送信息。在本文中，中继选择利用译码转发方式,将信息源节点S与信息目的节点D相连接，协同中继完成通信。

图1 三节点单向中继系统模型

1.3 人工噪声

随着计算机技术的发展，在无线通信过程中仍然会出现较多的非法窃听频道，虽然有保密通信系统，但由于非法窃听频道距离信息源距离较近时，保密容量就会逐渐减少变为零，这会使保密通信无法正常运行。为了解决信息安全问题，在协同通信技术中继方案中加入人工噪声技术，通信用户在无线网络信息交流时使用人工噪声技术，能够减少或者防止非法窃听者侵入，保证了通信交流安全。目前，常用的人工噪声技术包括两种：一种是产生源节点时发送人工噪声，这样源节点可以与多个天线共同运行；另一种是产生中继节点时发送人工噪声，这时源节点只能使用一根天线，此时就需要中继方案完成通信交流。人工噪音是一种特殊的声音处理设计，主要应用于合法的信息通道中，不仅能够降低信息用户的信噪比，还能够降低非法窃听者的信噪比，从而提高无线通信系统的安全性、可靠性。

1.4 保密容量

保密容量是指信息发送端将保密信息安全地传送到合法用户的最大传输速度，并在该速度下，非法窃听者无法获取有价值的信息。随着网络技术的发展，为了能够更加保证信息传输的机密性，研究发现有一种信道编码，能够增强信息传输的安全性；同时，协同通信技术中继方案的推出，研究出信息传输过程中不被窃听的高斯中断网络，从而扩大了通信信息的保密容量。

2 人工噪声的协同通信中继选择方案研究

2.1 协同通信系统模型

研究表明，人工噪声可以改善通信系统的保密容量，降低窃听者的接受信噪比，同时不会对合法使用用户造成任何影响。经过人工噪声技术的处理，能够在中继节点到合法用户之间的信道进行运行。协同通信系统模型如图2所示。

图2 协同通信系统

该模型设计了一个信息源节点S，一个信息目的节点D，一个信息窃听节点E，以及多个中继节点R1、R2、R3、……RN的协同通信系统。由于信息源节点和信息目的节点不能够直接通信，需要通过中继节点的协同作用，并且中继节点采用了放大转发的模式通信，因此需要源节点从多个中继节点中选择合适的协助转发的信号源，这样才能够有效阻止窃听者获取重要信息。

2.2 协同通信的传输方式

在协同通信中继选择过程中，主要传输方式分为两个部分，第一，信息源节点发送信号S到中继节点，如果源节点信息发送信号时被特殊处理过，那么就需要编码程序对信号进行放大转发到中继节点，然后在继续进行解码，这样窃听者才完全不能接收到源节点信息，确保信息的安全性、可靠性。第二，选择最佳的源节点的中继节点RN，将信息放大并转发到目的节点D，由于中继节点具有较强的传播性，对信号源的传输速度非常快，使信号源能快速传到目的节点处，为了保证信息的安全性，在协同通信过程中选取多个中继节点，并且每个中继节点都能够接收到源节点信号，而中继节点会对合法的信息通道进行处理，以便其他中继节点影响窃听者获取信号，从而将信息安全被接收。

2.3 仿真结果分析

如图3所示，人工噪声协同通信中继选择方案与最大信息链路选择方案进行中断概率对比。显示表明，当中断概率在10-6时，信息最大链路能够达到1.5dB的增益，当中继节点不断增大时，人工噪声中继方案中保密容量逐渐增加，这是因为人工噪声可以降低窃听节点接受信息的信噪比，而人工噪声的信号节点分布在合法接收者的信息通道中，这样就不会影响目的节点接收信息，从而提高了系统的保密容量。

图3 不同中继方案的对比

仿真结果分析：在信息源节点和目的节点中间处是最佳中继节点位置。然而，在实际通信过程中，信息源节点和目的节点中间位置并不一定是最佳的中继节点。针对这种情况的出现，需要对次佳中继节点进行选择，并结合次佳中继方案选取合适的中继节点进行协同通信，从而获取最为保密的信息通道；同时，利用仿真方案与无人工噪声的协同通信中继方案进行对比，结果证明添加人工噪声可以有效提高协同通信系统的保密容量。

3 保密容量的协同通信中继方案的研究

3.1 传统的窃听系统

传统的窃听系统是由信息发送者、信息合法接收者和非法窃听者组成。由于无线通信信道具有快速传播的特性，通信系统的各个信息节点都能够接收到发送者的消息信号，信号不仅能够被合法的接收者获取，还能够被非法窃听者接收。在同一个通信系统中，合法接收者和非法窃听者接收到的消息信号基本相同，只不过信号传输过程中的信号状态不一致，这样就容易造成重要信息泄露，缺乏安全性。

3.2 无线信道模型

如图4所示，多用户无线窃听信道模型是由一个信号发送端S，n个中继节点R和m个合法接收点D以及非法窃听节点E组成，该模型适用于实际通信系统中源节点和目的节点距离比较远时。信号源传播受到阻碍时，不能完成完整的信号通信，需要中继节点的协助才能够完成无线通信。中继节点利用放大转发方式，对中继节点进行协议处理，即将发送端发送信号到中继节点，中继节点接收信号之后，将信号放大后发送到目的节点。这个过程需要两个传输阶段，分析如下：

图4 多用户无线窃听信道模型

第一阶段，源节点发送信号给中继节点，设信号为s，第i个中继节点Ri接受的信号为：

式(1)中，Ps是源节点的发生功率，hS,R是源节点与中继节点之间的信道参数。

第二阶段，各个中继节点分别接受同一个消息信号，并进行放大转发给各个信息用户，这时就容易被非法窃听节点接收到信号。此时，当j个信息用户接收到的信号中继节点第i个转发的信号，通过放大处理，第j个用户接收到的实际信号为：

然而，非法窃听者也会受到同样的信号。由于最佳中继节点与窃听节点之间存在距离，如果在第j个中继节点位置添加人工噪声，扩大了信道容量，确定出最佳的中继节点位置， 那么，最佳节点位置到节点距离为：

则窃听节点位置为同一个，以便快速确定非法窃听者位置，防止信息丢失、泄露。

3.3 仿真结果分析

如图5所示，在各个节点坐标图中，中间连线的中点是最佳中继节点的位置，如果该位置存在中继节点，那么就选择该位置进行协同通信；如果不存在中继节点位置，则需要选择次佳中继节点选择方案。如果仿真参数选择合适，则不需要进行次佳中继方案选择；如不合适，则需要进行次佳中继节点方案选择进行协同通信。

图5 各个节点坐标图

总结：本文通过分析中继节点的最佳位置，融入了人工噪声的技术，并在特殊处理情况下，防止非法窃听者侵入，减少非法窃听节点位置，降低了窃听节点的接收信噪比，从而不会对目的节点产生影响，因此能够扩大协同通信系统的保密容量。在研究中运用了放大转发模式的中继协议，并未完全使用译码转发模式进行中继协议完成协同通信，如果研究可以继续进展，可以研究译码转发模式的中继协议能否顺利完成协同通信。在本文中只针对一个非法窃听者进行研究，在实际通信过程中，存在较多的非法窃听者，如果多方面研究窃听者使用的手段，更能够防止信息泄露，为我国国家机密提供保护作用。