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user: 3. 联合SFBC编码的物理层加密传输方案 联合SFBC编码的物理层加密传输方案如下： UT端首先对发送数据进行SFBC编码，该方案如表2所示， 作为参考信号， ( )作为有用信息。只是在时隙2中，子载波0发送的是有用信号 ，而子载波1传输的是参考信号 ；而 图1. 联合SFBC编码的物理层加密算法用于上行链路SC-FDMA协作系统的模型 图2. 采用联合SFBC编码的物理层加密算法的SC-FDMA系统 Table 1 The slot of cooperative communication syste 时隙1 时隙2 时隙3 子时隙1 子时隙2 获取CSI 1 获取CSI 2 和CSI 3 联合SFBC编码的物理层加密、 自适应调制，发送到RN 联合SFBC编码的物理层加密、 自适应调制，发送到BS 取CSI 3 送训练序列和CSI 3 到UT 从UT接收信号 转发信号到BS 送训练序列到UT和RN 从UT、RN接收信号 表1. 协作通信系统时隙 Table 2 SFBC encoder transmission slo 时隙2 时隙3 子载波索引 0 1 2 3 … N − 2 N − 1 0 1 2 3 … N − 2 N − 1 UT®BS … UT®Relay … 表2. SFBC编码传输时隙 在时隙3中，子载波0发送的是参考信号 ，而子载波1传输的是有用信号 。 本小节，为了在上行SC-FDMA协作通信系统中达到LPI，我们提出了一个新的基于CSI的联合SFBC编码的物理层加密算法。通过设计“随机”的加密权重系数使得接收机BS能正确解码，而RN和窃听者不能得到任何有用信息。 文献 [ 7 ] [ 8 ] 论述了在OFDM系统中，假定所有的RN是可信任的，通过多个RN构成STBC阵列传输的物理层加密算法，但这样有一半的传输符号被用作参考符号，降低了信号传输的效率，同时对于RN来说，信号是可知的，如果RN是不安全的，容易造成信息被窃听和盗取。 与之前的文献相比，本论文假设RN是不可信的，同时为了提高信号传输效率，我们只采用一个子载波来传输参考符号。因此无论是窃听者还是RN都不能获取UT发来的任何有用信息。 3.1. SFBC物理层加密具体过程 1) 如表2所示，对UT信息进行SFBC编码。 2) 在时隙2期间，UT发送的信息通过随机权重系数 加密，并发送到RN。 3) 在时隙3期间，UT发送的信息通过随机权重系数 加密，并发送到BS。 即发送到RN和BS的信息在时隙2和时隙3的两个子时隙被分别有序的加密。 在UT端的加密算法如下所示： 1) 在经过时隙1的信道估计之后，UT获取了状态信息CSI 1 ，CSI 2 和CSI 3 ，而RN不知道CSI 2 ，BS不知道任何CSI i (i = 1，2，3)。 2) UT发送信号的N个子载波( )被分为两组。参考符号组(子载波i = 0)和信息符号组(其他子载波 )。 3) 随机权重加密系数 和 定义如下： (1) (2) 是直连信道的随机权重加密系数， 是中继信道的随机权重加密系数。 表示信道m(m = 1， 2， 3)的子载波i( )上的复数瑞利平坦衰落信道。C和D是正数。 可以根据实际的传输信号功率以及直连信道和中继信道功率分配比率来设计C和D的数值，为了简化，我们假定C = D。 为了限制总功率，随机权重加密系数设计如下： (3) 再根据式(1)，(2)计算可得： (4) 随机权重加密系数 和 的相位可以认为是均匀分布，可以如下设计： (5) (6) 如上述分析推导，物理层加密算法的随机权重加密系数 和 设计完成。 3.2. 联合SFBC编码的物理层解密算法具体过程 首先，让我们考虑直连信道。在BS端的接收信号偶数子载波的接收信号可写为： (7) BS上接收的奇数子载波的接收信号可写为： (8) 特别要指出BS上接收的第0位偶数子载波(即k = 0)传输的为参考信号 ，接收信号可写为： (9) 当 的时候，在BS端接收偶数子载波信号为： (10) 我们可以用最大似然法(ML)解码符号： (11) 当 的时候，在BS端接收奇数子载波信号为： (12) 我们可以用最大似然法(ML)解码符号： (13) 其次，我们讨论中继信道和用户间信道。 RN上接收的偶数子载波的接收信号可写为： (14) RN上接收的奇数子载波的接收信号可写为： (15) 特别要指出RN上接收的第1位奇数子载波(即k = 0)传输的为参考信号，接收信号可写为： (16) 假设RN采用AF(放大前传)协议，中继节点RN将接收到的信号进行放大，然后重新发送该信息到BS。 BS接收到从RN发来的偶数子载波上的信号可写为： (17) BS接收到从RN发来的奇数子载波上的信号可写为： (18) 特别要指出BS接收到从RN发来的第1位奇数子载波上的参考信号可写为： (19) 其中 是第1个子载波对应的并且为BS已知的参考符号。 和 是发送端的信息符号， 和 表示信道2，3上的复数瑞利平坦衰落信道。 等于 ， 等于 。 等于 。 是放大系数常量因子，这里为了方便讨论，我们假定 为1。 同样的，当 时， 在BS端接收偶数子载波信号为： (20) 我们可以用最大似然法(ML)解码符号： (21) 同样的，当 时， 在BS端接收奇数子载波(除了第1位参考信号子载波外)信号为： (22) 我们可以用最大似然法(ML)解码符号： (23) 接着，在BS端，将从UT和RN接收到的信号进行SFBC解码，可得到有用信号如下： (24) 值得一提的是，在RN和窃听者端，他们接收到的各子载波信号是随机变化的，并且不知道随机权重加密系数 和 ，同时因为信道之间的差异，在RN端 ，而窃听者端 ， 。因此，RN和窃听者没有办法获取有用的信息符号。详细的说，因为 是不断变化的，且 和 都随着信道状态 不断变化，而不是永恒不变的，所以哪怕RN或者窃听者得知某一个特定时间的 和 ，如果它不能同时知道当时的 ，一样无法解密，除非RN或者窃听者能够同时知道 和 还有 ，并能精确跟踪这些参数的不断变化，而实际情况中无线信道状态是瞬息万变的，所以这是不现实的。 3.3. 集中式自适应调制和编码(AMC) 基于CSI，UT可以很好的采用自适应调制编码技术来提高系统的吞吐量、数据速率和频谱利用率。这里我们采用基于CSI门限值的集中式调制编码方案(MCS)。 根据CSI i (i = 1， 2， 3)对三条信道(直连信道、中继信道、用户间信道)采用相同的调制编码方式。在时隙1，UT获取CSI i (i = 1， 2， 3)的所有信息，定义这三个CSI i 中最小值为ref_CSI，此外，定义两个门限值CSI，名为|H1|和|H2| (|H1| < |H2|)。当ref_CSI < |H1|时，采用QPSK调制方式，当|H1| < ref_CSI < |H2|时，采用16QAM调制方式，当ref_CSI > |H2|时，采用64QAM调制方式。 系统吞吐量的表达式如下所示： (25) 系统传输的误块率表达式可以表达为下式： (26) M n 对应于第n种MCS方式的调制阶数，比如，MCS为16QAM时，M n = 4，MCS为64QAM时，M n = 6。R n 对应第n种MCS方式的编码速率。 表示当信噪比SNR为 时，对应的协作信道传输错误概率。S代表信源(UT)，R代表中继(RN)，D代表终端(BS)。 本论文中我们采用了QPSK，16QAM和64QAM三种调制方式，另外在传输到BS端的训练序列中携带编码调制方式信息，00代表QPSK，01代表16QAM，10代表64QAM，所以BS端可以在不知道信道信息的情况下根据这两位二进制符号采用相应的解调方式进行解调。