【无线通信的信息传输与隐蔽通信的基础知识概述4800字】

无线通信的信息传输与隐蔽通信的基础知识概述目录TOC\o"1-3"\h\u20619无线通信的信息传输与隐蔽通信的基础知识概述 1257941.1信息传输基础知识 1159781.1.1中继节点转发方式 1218821.1.2中继节点工作模式 3121281.2隐蔽通信的性能指标 4253121.3无线通信网络模型 7270041.3.1单阶段检测下的单跳网络模型 710911.3.2两种安全威胁下的单跳网络模型 7128711.3.3两跳单阶段检测网络模型 8201261.3.4两跳双阶段检测网络模型 91.1信息传输基础知识本节主要从中继节点的转发方式和工作模式两部分讲述了信息传输的基础知识。1.1.1中继节点转发方式在协作通信网络中，中继节点的转发方式主要有解码转发(Decode-and-Forward,DF)、放大转发(Amplify-and-Forward,AF)、以及编码协作(CodedCooperation,CC)。下面我们分别对这三种方式进行介绍。(1)解码转发图2-1为解码转发的通信系统模型。第一阶段，源节点同时向中继节点和目的节点广播保密信号；第二阶段，中继节点在接收到信息后，采用相同或不同编码方式对信息进行解调、解码、估计。若中继节点将接收到的信息进行正确解码后，则将解码后的信息重新进行编码和调制之后并转发给目的节点。但系统采用解码转发方式对硬件条件要求较高，同时也会产生较小部分的延迟。图2-1解码转发系统模型Fig.2-1Decode-and-forwardSystemModel(2)放大转发放大转发是指中继节点接收源节点的信号后，将信号进行功率放大再转发给目的节点。AF是一种模拟信号处理方式，如图2-2所示。因为中继节点仅对接收信号进行简单放大或线性处理，所以中继节点采用放大转发的复杂程度低于解码转发方式。但其直接将信号放大的同时也会将噪声部分被放大，降低了接收端的接收信噪比，也因此给整个通信的系统性能带来了不良影响。图2-2放大转发系统模型Fig.2-2Amplify-and-ForwardSystemModel(3)编码协作编码协作将协作通信和信道编码技术进行结合。在该模式下，源节点将码字分为两个部分发送给中继和目的节点，对于中继而言，其在正确解码信息后引入不同冗余信息对消息进行重新编码，最后将信息转发给目的节点。CC方式利用经历不同独立衰落信道的码字，从而使系统获得了分集增益和编码增益，但该方式进行了再编码操作，其复杂度较高。此外，中继对信号的处理过程也会产生一定的时延，因此CC方式较适用于慢衰落信道，该方式在实际应用中具有一定的局限性。由于AF与DF方式在实现上较为简单，其应用较为普遍。1.1.2中继节点工作模式(1)半双工模式在通信系统中，半双工模式下通信节点的信号收发工作只能限定在相互正交的信道上进行，无法同时同频地进行数据的收发工作。半双工技术常分为时分双工(TimeDivisionDuplex，TDD)和频分双工(FrequencyDivisionDuplex，FDD）。其中，频分双工技术给各个节点提供两个独立的频率段用来同时发送和接收信息，并且使用相邻频段间的保护间隔防止频段干扰；时分双工技术将时间资源分为以时隙组成的最小单元，在不同时隙内完成信号的发送和接收。图2-3给出了时分半双工模式下的信息传输过程。由于通信节点工作在半双工模式下，同一时间只能进行一个方向的信号传输，源节点和中继节点分别在两个阶段内发送信号。此外，半双工模式因其部署简单得到了广泛应用，但半双工模式需要使用两个时段来完成数据的收发，因此这种方式给系统的频谱资源带来一定的浪费。图2-3半双工模式示意图Fig.2-3SchematicmapofHalf-duplexMode(2)全双工模式图2-4讲述了全双工模式的工作原理。其中，全双工中继因具有两根天线，在全双工模式下可以一边接收源节点的信号，一边将接收到的信号进行转发。相比于半双工模式，因为全双工模式无需切换收发模式，可以在同一时间完成信号的发送和接收，所以节省了半双工中继系统一半的耗时，降低端到端的传输时延，提高了系统的频谱效率。但收发天线可以同时工作，使得接收天线会接收到来自发送天线发射的自干扰信号，严重影响了信息的传输质量。在该模式下，系统可通过自干扰消除技术对噪声进行干扰消除，从而对自干扰信号起到有效抑制的目的。图2-4全双工模式示意图Fig.2-4SchematicmapofFull-duplexMode1.2隐蔽通信的性能指标本小节介绍了隐蔽通信系统的性能指标。隐蔽通信的两个目标是，既要保证隐蔽传输行为不被检测者检测到，又要保证合法节点之间可以达到良好的通信。针对这两个目标，分别以检验错误概率和隐蔽传输速率为性能指标对隐蔽通信系统的隐蔽性能和传输性能进行衡量。下面介绍检验错误概率和隐蔽传输速率的性能指标。检验错误概率当检测者对隐蔽传输行为进行检测时，检测者会存在漏检和误检两种检测错误的情况。其中，漏检定义为，当源节点发送保密信息(情况)时，检测者判定源节点没有发送保密信息。误检定义为，当源节点没有发送保密信息(情况)时，检测者判定源节点发送了保密信息。根据漏检和误检的定义，进一步将检测者的漏检率和误检率分别表示为：(2-1)(2-2)其中，表示事件发生的概率。/为检测者判决源节点没有/有隐蔽传输行为。在通常情况下，将检测者在检测过程中检测错误的概率用来衡量检测者的检测性能。检测者获得检验错误概率包括漏检和误检事件的概率。假设源节点发送保密信息的概率为，源节点不发送保密信息的概率为，则检测者获得检验错误概率为：(2-3)一般地，合法节点不知道检测者设置判决门限的大小，通常考虑以系统在最差情况下的隐蔽性能作为检测者可以获得的最优检测性能。当设置最优判决门限为时，检测者获得最小检验错误概率为：(2-4)其中，表示为最小时判决门限的值。当越小时，检测者的检测性能越好，相反系统的隐蔽传输能力越差。在实际情况中，当存在为任意小的隐蔽阈值，且系统满足条件时，则认为系统可以实现隐蔽传输。对于系统的检验错误概率的情况，其相当于检测者以随机概率猜测保密信息的传输情况，即检测者已经无法从接收信号中获取任何有用信息来判断隐蔽传输是否存在。(2)隐蔽传输速率首先，介绍了系统安全容量和安全中断概率的概念。其次，引出了系统隐蔽传输速率的概念以衡量合法节点之间的通信性能。安全容量为衡量合法双方进行通信时所达到的信息传输速率的关键指标。在文献[39][58]中，合法链路所达到的最大信息传输速率被定义为安全容量。下面分别给出单跳、放大转发和解码转发三种通信系统的安全容量表达式。在单跳隐蔽通信系统[38-39]中，源节点将保密信息发送给目的节点，此时系统获得的安全容量为：(2-5)其中，为合法信道的瞬时信噪比，大小为。在放大转发系统中[50-52][56]，目的节点接收到来自中继进行放大转发后的信号，最终系统获得的安全容量为：(2-6)其中，为目的节点处的信噪比，且。为中继处的放大转发因子，其大小为。对于解码转发系统，安全容量被定义为源节点到中继以及中继到目的节点的两跳信息传输速率的最小值[60-61]。在信息传输过程中，第一跳和第二跳的信息传输速率分别为：(2-7)(2-8)式中，、分别为第一跳、第二跳的信噪比，且，。因此解码转发系统的安全容量为：(2-9)由公式(2-9)可知，目的节点能否对信息正确解码取决于两跳的瞬时信噪比，若某一跳的瞬时信噪比过低，将导致目的节点无法对信息进行正确解码，最终使系统的信息传输失败。此外，对于网络中既存在检测者，又有窃听者的情况，此时系统获得的安全容量为合法信道的容量与窃听信道的容量之差，即：(2-10)式中，和分别为合法信道和窃听信道的容量。表示为的运算。在实际的通信场景中，由于受信道质量好坏等因素的影响，系统并不是总能实现保密通信，因此研究者们提出安全中断概率进一步衡量系统的安全性能。系统安全中断概率为给定目标传输速率下，安全容量小于目标传输速率事件的概率[53]，即：(2-11)由公式(2-11)可知，系统安全容量不小于目标传输速率时，发送端总能够找到一种编码方式实现保密通信。而当系统安全容量小于目标传输速率时，此时系统发生通信中断，目的端无法对信息进行正确解码，从而导致合法双方间的信息传输失败。在隐蔽通信系统中，为了衡量合法双方进行通信时传输能力的重要指标，后来研究者们提出了隐蔽传输速率的概念。隐蔽传输速率是指系统不发生中断情况下所达到的传输速率[61]，可表示为：(2-12)(3)隐蔽通信的目标隐蔽通信的目标通常是，在系统满足低概率检测通信的要求下，同时保障合法方的通信性能良好。因此，为使系统满足给定的隐蔽阈值条件下得到最大化隐蔽传输速率，一般做法是对其隐蔽传输方案进行设计并优化系统关键参数，可以保证合法节点之间获得良好的传输速率，实现隐蔽传输。即：(2-13)1.3无线通信网络模型本节从合法节点传输保密信息的角度出发，介绍了四种无线通信网络的场景模型。首先，对于单跳通信网络，分为只有检测者、同时存在检测者对信息传输过程进行检测和窃听者对信息内容进行窃听的两种场景模型来进行介绍。其次，在两跳隐蔽通信网络中，分别给出了检测者对单个阶段以及信息传输的两个过程加以检测，并以此判决隐蔽信息的传输情况的场景模型。1.3.1单阶段检测下的单跳网络模型图2-5给出了在源-目的节点的单跳信息传输情况下，检测者进行单阶段检测的网络模型。该网络包含一个源节点、一个目的节点以及一个检测者。源节点以一定概率向目的节点发送保密信息。由于无线信道的开放特性，检测者对源与目的节点之间的隐蔽通信行为进行检测，从而得到源节点是否发送保密信息的判决结果。从源为合法节点的角度出发，源到目的节点的信息传输过程应对检测者来说是隐蔽的，所以需采用隐蔽通信技术来使检测者无法准确得到隐蔽信息传输的情况，以此实现信息是隐蔽传输的。为了干扰检测者进行这一过程的检测，目的节点在接收源节点信息的同时，也发送人工噪声来干扰检测者对有无通信行为做出错误判决，实现信息隐蔽传输的效果。图2-5单阶段检测网络模型Fig.2-5Single-hopNetworkModelwithSingle-stageDetection1.3.2两种安全威胁下的单跳网络模型图2-5为仅有检测者的通信网络模型，接下来，图2-6给出了通信环境中具有两种安全威胁的网络模型，即网络中不仅存在检测者，还有窃听者对信息内容进行窃听，并解码源节点的消息。在图2-6中，同样，源节点以一定概率向目的节点发送保密信息。同时，检测者对源节点到目的节点之间的隐蔽传输行为进行检测。除此之外，窃听者对源节点的信息进行窃听，并通过解码获取信息内容。所以，我们也要考虑信息内容不能被窃听者成功解码，保证信息内容的安全。在该系统中，全双工目的节点在接收信息的同时，对检测者和窃听者均发送人工噪声，以阻碍检测者和窃听者来保护信息的安全传输，从而实现系统的安全性能。图2-6两种安全威胁下的单跳网络模型Fig.2-6Single-hopNetworkModelwithTwoSecurityThreats1.3.3两跳单阶段检测网络模型图2-7考虑了源节点-中继节点、中继节点-目的节点的两跳信息传输情况下，检测者进行单阶段检测的通信模型。该网络包含一个源节点、一个中继节点、一个目的节点以及一个检测者。源节点必须依靠中继来完成源与目的节点之间的信息传输，该信息传输过程分为两个阶段完成。第一阶段，源节点以一定概率向中继发送保密信息。同时，检测者可对源与中继之间的通信行为进行检测，从而得到源节点是否发送保密信息的判决情况。为了干扰检测者，该系统通过目的节点发送人工噪声，用以干扰检测者对有无通信行为做出错误判决，实现信息隐蔽传输的效果。第1阶段的信息传输情况第二阶段，中继将源节点的信息转发给目的节点，由此完成源到目的节点的信息传输。而检测者在该阶段保持静默。第2阶段的信息传输情况图2-7两跳单阶段检测网络模型F