反向散射通信系统中保密中断概率最优的标签选择机制

摘要

本发明提出反向散射通信系统中一种保密中断概率最优的标签选择方法，该系统是由一个专门产生连续波的信源S、N个标签Ti、一个目的节点D和一个窃听者E组成。本发明考虑了标签Ti本身的电路消耗，本发明设计了满足标签最低能耗的最优动态反射系数，能够最大化每个标签反射出的信号的功率。在保证电路收集的能量能够满足标签Ti的电路功率消耗需求的前提下，每次传输中，本发明选择能够最大化系统保密容量的标签Ti去传输它自己的信息到目的节点。为了评估该系统中标签选择方案的保密中断概率，本发明在独立非同分布瑞利衰落信道中推导了系统的保密中断概率和分集阶数。相比于其他方案，本发明提出的最优标签选择方法具有最好的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体为一种在多标签环境中最小化系统的保密中断概率的标签选择方法。

技术背景

反向散射通信能够调制并反射周围环境中的射频信号来完成通信。对比传统的自身产生射频信号的主动式通信技术，反向散射设备不需要产生射频信号，因此省略了模/数、数/模转换器、振荡器等高功耗元件，属于被动式通信技术。由于这种原因，反向散射设备具有更低的功耗，其量级为毫瓦级别。基于反向散射通信系统的框架，它可以被分成三类：单站、双站和环境反向散射通信系统。在双站反向散射通信系统中，具有产生连续正弦波的专用射频信号源。

在传统链路和反向散射通信系统共存的环境下，文献(Y.Ye,L.Shi,X.Chu andG.Lu,“On the outage performance of ambient backscatter communications,”IEEEInternet of Things J.,vol.7,no.8,pp.7265-7278,Aug.2020；H.Ding,D.B.da Costa,and J.Ge,“Outage analysis for cooperative ambient backscatter systems,”IEEEWireless Commun.Lett.,vol.9,no.5,pp.601-605,May 2020；D.Darsena,G.Gelli andF.Verde,“Modeling and Performance Analysis of Wireless Networks With AmbientBackscatter Devices,”IEEE Trans.Commun.,vol.65,no.4,pp.1797-1814,Apr.2017)中，作者分别分析上述两种通信系统的中断概率和遍历容量。在上述的工作中，由于反向散射设备引入的共道干扰，传统链路的性能将会恶化。但是在文献(D.Li,“Two Birds With OneStone:Exploiting Decode-and-Forward Relaying for Opportunistic AmbientBackscattering,”IEEE Trans.Commun.,vol.68,no.3,pp.1405-1416,Mar.2020；Y.Liu,Y.Ye,G.Yan and Y.Zhao,“Outage Performance Analysis for an OpportunisticSource Selection Based Two-way Cooperative Ambient Backscatter CommunicationSystems,”IEEE Commun.Lett.,doi:10.1109/LCOMM.2020.3029246)中，一种协作反向散射通信系统被提出，其中中继节点内嵌标签作为反向散射设备，该系统利用传统用户产生的功率不同实现反向散射通信并且不会对传统链路的性能产生任何影响。

不同于上述文献只考虑仅有一个标签的反向散射通信系统，文献(D.Li,W.Pengand F.Hu,“Capacity of Backscatter Communication Systems With Tag Selection,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.68,no.10,pp.10311-10314,Oct.2019；)中作者提出带有多个标签的反向散射通信系统，该系统可以实现标签选择去最大化遍历容量。在上述文献中，所有的标签采用固定地反射系数，每个标签收集到的能量满足标签自身的功率消耗，因此所有的标签有能力去反射信号。实际上，固定反射系数或许不能确保已经采集到的能量能满足每一个标签的功率需求，即使消耗的功率非常小(数毫瓦)。与传统的无线系统类似，在反向散射通信系统中由于存在广播特性，通过标签反射的信号或许会被恶意窃听者收到，因此需要考虑相应的私密和安全问题。在文献(Y.Zhang,F.Gao,L.Fan,X.Lei andG.K.Karagiannidis,“Secure Communications for Multi-Tag Backscatter Systems,”IEEE Wireless Commun.Lett.,vol.8,no.4,pp.1146-1149,Aug.2019)中，带有多个标签的反向散射通信系统中被选择的最优标签能最小化保密中断概率并且相应的系统保密中断概率被推导出来。我们注意到上述文献没有考虑到标签自身的功率消耗问题。上述两篇文献是建立在独立同分布的瑞利信道的基础上的。考虑到实际反向散射通信系统中多个标签会随机分布，采用独立非同分布来描述信道才是合适的。考虑到现有研究现状，本发明在考虑标签自身功耗的基础上提出了反向散射通信系统中的最优标签选择方法用以最小化系统的保密中断概率。

发明内容

本发明提出了反向散射通信系统中一种保密中断概率最优的标签选择机制，该系统是由一个专门产生连续波的信源S、N个标签、一个目的节点D和一个窃听者E组成。本发明设计了最优动态反射系数，用以在满足标签自身能耗的前提下最大化反射信号功率。进一步，每次传输中，在所有能够采集到足够能量满足自身能耗的标签中，选择能够最大化系统保密容量的标签T

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下的技术方案：反向散射通信系统中一种保密中断概率最优的标签选择方法，包括以下步骤：

1、所有的信道被假定服从独立非同分布的瑞利衰落信道。从信源S到目的节点D和信源S到窃听者E的直达链路干扰可以通过串行干扰消除技术删除。标签T

2、接收到的信号可以被分成两个部分：

备注1：通过观察

3、基于上述分析，标签T

本发明相对于现有技术，具有如下优点：

1、本发明考虑了作为反向散射设备的标签的自身功耗，采用了最优的动态反射系数以在满足标签自身功耗的前提下最大化反射信号的功率。

2、每次传输中，在所有能够采集到足够能量驱动自身电路的标签中，选择出能够最大化系统的保密容量的标签发送自身信息至目的节点，从而最小化了系统的保密中断容量。与现有方法相比，我们所提出的方法拥有最好的保密中断性能。

附图说明

图1、系统模型

图2、提出的方案与随机的方案保密中断概率的对比

图3、提出的方案与使用独立非同步瑞利衰落信道方案来对比保密中断概率

图4、不同保密数据速率下、不同方案的保密中断概率对比

具体实施方式

本实施例中，具体参数设置如下：

本发明中的反向散射系统由一个发射连续波(CW,Continuous Wave)的专用信号源S、N个标签T

如图1所示，我们提出的反向散射通信系统是由一个产生连续正弦波的专用信源SS、一个目的节点D、一个窃听者E和N个标签T

其中P

其中

其中，

备注1：通过观察

基于上述分析，目的节点D接收到的、由标签T

其中η是反向散射效率，其意义是标签T

系统的保密容量C

如果瞬时保密容量是低于预先设定的目标速率R

标签选择方案和保密中断概率分析

在提出的系统中，假设能够满足自身功率消耗且能够最大化保密容量的标签被选择来反向散射信号，即满足：

基于(7)，我们可通过以下两步选择最优的标签T

备注2：我们提出的标签选择方案的应用需要获得全局信道状态信息，即在每个发送时隙中，需要获得信道增益|h

任意链路S→T

进而，P

P

在(12)中阈值信噪比可以表示为

结合公式(10)和(17)，任意链路保密中断概率的闭合解析结果能够被写成如下：

利用公式(8)和(18)，能够得到所提议的标签选择方法的保密中断概率如下式所示：

高信噪比时，利用

在公式(20)中，

备注3：观察公式20，高信噪比时，任意链路的保密中断概率仅仅由两个信道均值来决定，即链路T

备注4：我们提出标签选择方案的优越性可以从两个方面理解。首先，该方案设计了最优动态反射系数。在满足标签电路消耗的前提下，这种设计能够确保标签T

如图2所示，在整个信噪比区域内，解析结果可以和仿真结果完全拟合，当P

图3展示了系统处于独立非同分布及独立同分布瑞利信道中的性能对比。在独立同分布方案中，d

给定P

在图4中，我们提出的标签选择方案中的解析表达式和仿真曲线完全拟合再次证实理论分析的正确性。进一步，图4表明其他的方案的性能更差。对于现有技术中的方案，固定反射系数的设计并不能确保在每次传输中标签能够最大化反射信号的功率。此外，被选择的最优标签或许不能收集足够多的能量来驱动标签电路，这将恶化保密中断性能。由于上述两个原因，现有技术中存在的方案的保密中断概率劣于本方案的保密中断概率。通过观察公式等式(6)，在

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。