海軍工程大學(xué) 喻 鵬

協(xié)同通信是一種可以改變無(wú)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(guó)家重視和工業(yè)的廣泛應(yīng)用。目前，結(jié)合無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸特性，制定中繼選擇方案，通過(guò)算法確定中繼的物理位置。本文通過(guò)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(duì)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(tīng)者侵入通信網(wǎng)絡(luò)。

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，協(xié)同通信技術(shù)越來(lái)越受人們的關(guān)注，應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)的移動(dòng)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(guò)不斷地創(chuàng)新和改革，從模擬信號(hào)源發(fā)展道路數(shù)字信號(hào)源，但由于通信頻譜資源范圍比較狹窄，導(dǎo)致無(wú)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(duì)通信技術(shù)融入中繼選擇方案，這樣可以保證無(wú)線信號(hào)源的正常使用，還能夠擴(kuò)大無(wú)線通信范圍，并且通過(guò)判斷中繼概率，確定信息在傳輸過(guò)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(tīng)者，這樣就容易造成信息泄露，尤其關(guān)于國(guó)家事件或機(jī)密等信息被竊聽(tīng)，這會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)較大的麻煩。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(wú)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(guó)電信通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、增值業(yè)務(wù)網(wǎng)為平臺(tái)，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(huì)議等多種溝通手段融為一體，是中國(guó)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(yíng)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(lái)對(duì)接，來(lái)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(guò)接口封裝后提供給合作伙伴，合作伙伴用自己的平臺(tái)、H5頁(yè)面、CRM系統(tǒng)或APP對(duì)接后，可以實(shí)現(xiàn)電話外呼、錄音、電話會(huì)議等通訊功能。

面對(duì)人們對(duì)通訊技術(shù)的要求越來(lái)越高，不斷提高無(wú)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(duì)協(xié)同通信系統(tǒng)有很大的幫助。另外，面對(duì)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(gè)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(wú)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(huì)給協(xié)同通信系統(tǒng)帶來(lái)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(guò)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(wú)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(gè)信息源節(jié)點(diǎn)S，一個(gè)信息目的節(jié)點(diǎn)D以及一個(gè)信息中繼節(jié)點(diǎn)K，當(dāng)無(wú)線信號(hào)源距離較遠(yuǎn)時(shí)，S與D就無(wú)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(huì)出現(xiàn)信號(hào)源在同一個(gè)頻路時(shí)無(wú)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(wú)線通信過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)較多的非法竊聽(tīng)頻道，雖然有保密通信系統(tǒng)，但由于非法竊聽(tīng)頻道距離信息源距離較近時(shí)，保密容量就會(huì)逐漸減少變?yōu)榱?，這會(huì)使保密通信無(wú)法正常運(yùn)行。為了解決信息安全問(wèn)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(wú)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(tīng)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(gè)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(tīng)者的信噪比，從而提高無(wú)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(tīng)者無(wú)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(guò)程中不被竊聽(tīng)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(tīng)者的接受信噪比，同時(shí)不會(huì)對(duì)合法使用用戶造成任何影響。經(jīng)過(guò)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(gè)信息源節(jié)點(diǎn)S，一個(gè)信息目的節(jié)點(diǎn)D，一個(gè)信息竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)E，以及多個(gè)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(guò)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(gè)中繼節(jié)點(diǎn)中選擇合適的協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)源，這樣才能夠有效阻止竊聽(tīng)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(guò)程中，主要傳輸方式分為兩個(gè)部分，第一，信息源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)S到中繼節(jié)點(diǎn)，如果源節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送信號(hào)時(shí)被特殊處理過(guò)，那么就需要編碼程序?qū)π盘?hào)進(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(tīng)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(duì)信號(hào)源的傳輸速度非?？?，使信號(hào)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(guò)程中選取多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都能夠接收到源節(jié)點(diǎn)信號(hào)，而中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)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(tīng)者獲取信號(hào)，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(duì)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(tīng)節(jié)點(diǎn)接受信息的信噪比，而人工噪聲的信號(hào)節(jié)點(diǎn)分布在合法接收者的信息通道中，這樣就不會(huì)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(duì)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(guò)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(duì)這種情況的出現(xiàn)，需要對(duì)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(wú)人工噪聲的協(xié)同通信中繼方案進(jìn)行對(duì)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(tīng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的竊聽(tīng)系統(tǒng)是由信息發(fā)送者、信息合法接收者和非法竊聽(tīng)者組成。由于無(wú)線通信信道具有快速傳播的特性，通信系統(tǒng)的各個(gè)信息節(jié)點(diǎn)都能夠接收到發(fā)送者的消息信號(hào)，信號(hào)不僅能夠被合法的接收者獲取，還能夠被非法竊聽(tīng)者接收。在同一個(gè)通信系統(tǒng)中，合法接收者和非法竊聽(tīng)者接收到的消息信號(hào)基本相同，只不過(guò)信號(hào)傳輸過(guò)程中的信號(hào)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(wú)線信道模型

如圖4所示，多用戶無(wú)線竊聽(tīng)信道模型是由一個(gè)信號(hào)發(fā)送端S，n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R和m個(gè)合法接收點(diǎn)D以及非法竊聽(tīng)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(hào)源傳播受到阻礙時(shí)，不能完成完整的信號(hào)通信，需要中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)助才能夠完成無(wú)線通信。中繼節(jié)點(diǎn)利用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式，對(duì)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(hào)到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)之后，將信號(hào)放大后發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程需要兩個(gè)傳輸階段，分析如下：

圖4 多用戶無(wú)線竊聽(tīng)信道模型

第一階段，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)給中繼節(jié)點(diǎn)，設(shè)信號(hào)為s，第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri接受的信號(hào)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(gè)中繼節(jié)點(diǎn)分別接受同一個(gè)消息信號(hào)，并進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)信息用戶，這時(shí)就容易被非法竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)。此時(shí)，當(dāng)j個(gè)信息用戶接收到的信號(hào)中繼節(jié)點(diǎn)第i個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，通過(guò)放大處理，第j個(gè)用戶接收到的實(shí)際信號(hào)為：

然而，非法竊聽(tīng)者也會(huì)受到同樣的信號(hào)。由于最佳中繼節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)之間存在距離，如果在第j個(gè)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(tīng)節(jié)點(diǎn)位置為同一個(gè)，以便快速確定非法竊聽(tīng)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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)圖

總結(jié)：本文通過(guò)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(tīng)者侵入，減少非法竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)位置，降低了竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收信噪比，從而不會(huì)對(duì)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(duì)一個(gè)非法竊聽(tīng)者進(jìn)行研究，在實(shí)際通信過(guò)程中，存在較多的非法竊聽(tīng)者，如果多方面研究竊聽(tīng)者使用的手段，更能夠防止信息泄露，為我國(guó)國(guó)家機(jī)密提供保護(hù)作用。