物理层安全通信中的信能同传中继传输方法

摘要

本发明公开了一种物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其实现步骤为：1)源节点发送能量信号，不可靠中继节点和目的节点收集能量，并计算最优能量收集时间比例α

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种物理层安全通信中的信 能同传中继传输方法。

背景技术

由于无线传输的广播特性，信息传输面临着被未授权的窃听节点 窃听的风险。传统的加密技术通过网络高层密钥的产生与交互，来保 证信息传输的安全性。但是，这通常是以节点的计算能力有限为前提， 且系统的复杂度和信令开销较大。物理层安全通信根据信息论的观点， 充分利用无线信道的物理层特性，使得窃听节点在不能获得有效信息 的前提下，合法节点能够成功接收信源所发送的通信内容，从而引起 了广泛关注。

另一方面，基于周围环境的无线电信号进行能量采集在节能减排 的绿色通信背景下应运而生。该技术融合通信技术及输电技术，旨在 实现信息与能量的并行传输，接收端解码信息的同时实现能量收集， 从而有效地利用了能量资源，延长了设备寿命，具有深远的实际意义。

电子科技大学提出的专利申请CN104093143A(公开曰： 2014.10.08)公开了一种用于物理层安全的自适应协作通信方法，具 体步骤是：首先，使用二进制编码方式，将协作中继的转发信号进行 编码；其次，在集合中随机产生N_set个范围在的非负整数； 最后，对集合中的元素进行迭代重组，产生新的集合，直至选出使协 作通信系统获得最大安全速率的元素。该技术方案存在的不足是：首 先，该方法采用迭代重组的方法对中继的放大转发和噪声转发两种模 式进行选择，其计算复杂度较高；其次，该方法在协作传输阶段采用 多中继模式，其功率开销较大且能量资源利用率低，不利于实现。

西安交通大学提出的专利申请CN104469952A(公开曰： 2015.03.25)公开了一种基于最优功率分离的无线信能同传中继网络 中的传输方法，具体步骤是：中继节点进行信道估计；源节点以固定 功率向中继节点发送信号，中继节点根据信道估计的结果以最优策略 动态调整分配给能量接收与信息传输的功率分离比率，得到能量接收 与信息传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*；中继节点能量接收与信息 传输的最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*进行能量的接收及信号的转发；目 的节点对中继节点转发的信号进行信息检测。该方法存在的不足是： 首先，该方法中继节点在每一次传输周期内均需要信道估计，信令信 息的传输给中继系统带来额外的能量开销；其次，该方法采用变化的 最优功率分离比率ρ^*及1-ρ^*，使得中继节点的功率放大器工作在较大 的线性功率放大范围，其电路设计复杂度较高，不易于实现。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提出一种物理层安全通信 中的信能同传中继传输方法，通过动态调整分配给能量接收及信息传 输的最优时隙比例，并通过目的节点发送干扰信号来降低不可靠中继 节点的接收信噪比，从而获得更优的传输性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，包括至少一个源节 点和目的节点，以及至少一个不可靠中继节点；所述方法包括如下步 骤：

S1源节点发送能量信号，不可靠中继节点和目的节点接收所述 能量信号，据此计算出各自的能量收集时间并反馈给源节点，由源节 点计算出最优能量收集时间比例α_H，不可靠中继节点和目的节点在 α_HT时间内进行能量收集，T表示一个时隙长度；

S2对于剩余的(1-α_H)T时隙，在第一个(1-α_H)T/2时隙内，源节 点发送信息信号x_s，目的节点发送干扰信号x_z，不可靠中继节点接收 信号；

S3在第二个(1-α_H)T/2时隙内，不可靠中继节点转发接收到的混 合信号，目的节点接收信号；

S4目的节点对不可靠中继节点转发的混合信号进行自干扰消除， 并对干扰消除后的信号进行信息检测。

需要说明的是，步骤S1的具体方法如下：

1.1)源节点以发送功率P_S向不可靠中继节点和目的节点发送能 量信号x_e，不可靠中继节点和目的节点接收该能量信号；

1.2)不可靠中继节点利用能量检测对能量信号x_e进行接收，并 根据转发功率P_R计算能量收集时间比例α_R：

${\alpha }_R=\frac{d_{SR}^m{P}_R}{2{\eta }_R{P}_S|h_{SR}{|}^2+d_{SR}^m{P}_R};$

其中，表示源节点到不可靠中继节点的距离，|h_SR|²表示源节点 到不可靠中继节点信道的功率增益，η_R表示不可靠中继节点的能量转 换效率；

1.3)目的节点利用能量检测对能量信号x_e进行接收，并根据干 扰功率P_D计算能量收集时间比例α_D：

${\alpha }_D=\frac{d_{SD}^m{P}_D}{2{\eta }_D{P}_S|h_{SD}{|}^2+d_{SD}^m{P}_D};$

其中，表示源节点到目的节点的距离，|h_SD|²表示源节点到目 的节点信道的功率增益，η_D表示目的节点的能量转化效率；

1.4)不可靠中继节点和目的节点分别将能量收集时间比例α_R和 α_D反馈至源节点，源节点计算最优能量收集时间比例α_H：

α_H＝max(α_R，α_D)；

1.5)不可靠中继节点和目的节点在α_HT时间内进行能量收集。

进一步需要说明的是，所述能量信号为采用变化的功率幅度对信 号进行编码，以实现连续的能量转换，提高接收设备的能量转换效率。

进一步需要说明的是，步骤1.2)和1.3)中，能量检测具体为 对接收信号依次经过前置噪声滤波器、平方律器、时间积分器，得到 输出信号。

需要说明的是，步骤S2中，源节点发送信息信号x_s，目的节点 发送干扰信号x_z，不可靠中继节点接收信号的具体方法为：

2.1)源节点对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编 码、信道编码和调制，得到信息信号x_s，并以发送功率P_S将该信号发 送到不可靠中继节点；

2.2)目的节点对本地将要被发送的数据进行伪随机高斯编码， 得到干扰信号x_z，并以干扰功率P_D将该信号发送到不可靠中继节点；

2.3)不可靠中继节点收到信息信号x_s和干扰信号x_z后，对混合 信号进行解调和译码。

进一步需要说明的是，步骤2.1)中，所述信道编码采用低密度 奇偶校验码、卷积码、两者级联中的任一方式进行，并对采用上述编 码后的码字进行凿孔，以提高编码效率。

进一步需要说明的是，步骤2.2)中，伪随机高斯编码采用有限 状态的伪随机序列产生器进行编码，并对采用上述编码后的码字进行 凿孔，以提高编码效率。

需要说明的是，步骤S3的具体步骤如下：

3.1)不可靠中继节点根据接收到的混合信号，计算其协作转发 时的功率放大系数β：

$\beta =\sqrt{\frac{1}{P_S|h_{SR}{|}^2/d_{SR}^m+P_D|h_{RD}{|}^2/d_{RD}^m+{\sigma }_R^2}};$

其中，P_S表示源节点的发送功率，P_D表示目的节点的干扰功率， |h_SR|²表示源节点到不可靠中继节点信道的功率增益，|h_RD|²表示不可靠 中继节点到目的节点信道的功率增益，表示不可靠中继节点到目 的节点的距离，表示不可靠中继的噪声功率；

3.2)不可靠中继节点以恒定转发功率P_R向目的节点放大并转发 接收的混合信号。

需要说明的是，步骤S4具体如下：

4.1)目的节点根据第一个(1-α_H)T/2时隙内的干扰信号x_z进行自 干扰消除；

4.2)目的节点对自干扰消除后的信号进行解调和译码。

本发明的有益效果在于：

1、本发明由于利用信能同传技术，不可靠中继节点对转发能量 进行收集，目的节点对干扰能量进行收集，降低了不可靠中继节点和 目的节点额外的能量开销，延长了中继网络的网络寿命；

2、本发明由于动态调整分配给能量接收及信息传输的最优能量 收集时间比例，获得了更优的传输性能，同时不可靠中继以恒定功率 进行信息转发，降低了不可靠中继功率放大器的复杂度，具有较强的 实用性；

3、本发明由于利用目的节点协作干扰技术，大幅降低了不可靠 中继节点的接收信噪比，同时目的节点采用自干扰消除技术完美消除 干扰信号，提高了系统信息传输的安全性。

附图说明

图1为本发明使用的信能同传中继系统模型图；

图2为本发明的实现总流程图；

图3和图4分别为本发明时隙分配和信能同传接收机模型图；

图5为本发明中继协作系统的保密中断概率随源节点发送功率 的变化曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实 施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明使用的信能同传中继网络，由源节点S、不 可靠中继节点R和目的节点D构成，所有通信节点均采用半双工模式 进行信息传输。

如图4所示，本发明使用的信号接收电路由能量接收机和信息接 收机构成，其中，表示接收天线的窄带高斯噪声，y_r(t)表示天 线接收信号，表示射频信号向基带信号转换的处理噪声。中继 节点利用前α_HT时间进行能量收集，源节点和中继节点等分剩下的 (1-α_H)T时间进行信息传输，且中继节点收集的所有能量都被用作 中继节点向目的节点的信息传输。

如图2、图3所示，本发明的实现步骤如下：

S1源节点发送能量信号，不可靠中继节点和目的节点接收所述 能量信号，并据此计算出各自的能量收集时间并反馈给源节点，由源 节点计算出最优能量收集时间比例α_H，不可靠中继节点和目的节点 在α_HT时间内进行能量收集，T表示一个时隙长度：

1.1)源节点以发送功率P_S向不可靠中继节点和目的节点发送能 量信号x_e，不可靠中继节点和目的节点接收信号，其中所述的能量信 号采用变化的功率幅度对信号进行编码，以实现连续的能量转换，提 高接收设备的能量转换效率；

1.2)不可靠中继节点利用能量检测对能量信号x_e进行接收，并 根据转发功率P_R计算能量收集时间比例：其中， 表示源节点到不可靠中继节点的距离，|h_SR|²表示源节点到不可靠中 继节点信道的功率增益，η_R表示不可靠中继节点的能量转换效率，其 中所述的能量检测，是指对接收信号依次经过前置噪声滤波器、平方 律器、时间积分器，得到输出信号；

1.3)目的节点利用能量检测对能量信号x_e进行接收，并根据干 扰功率P_D计算能量收集时间比例：其中，表 示源节点到目的节点的距离，|h_SD|²表示源节点到目的节点信道的功率 增益，η_D表示目的节点的能量转化效率，其中所述的能量检测，是指 对接收信号依次经过前置噪声滤波器、平方律器、时间积分器，得到 输出信号；

1.4)不可靠中继节点和目的节点分别将能量收集时间比例α_R和 α_D反馈至源节点，源节点计算最优能量收集时间比例： α_H＝max(α_R，α_D)。

S2在第一个(1-α_H)T/2时隙内，源节点发送信息信号x_s，目的节 点发送干扰信号x_z，不可靠中继节点接收信号。

2.1)源节点对本地将要被发送的数据依次进行循环冗余校验编 码、信道编码和调制，得到信息信号x_s，并以发送功率P_S将该信号发 送到不可靠中继节点，其中所述的信道编码采用低密度奇偶校验码， 或卷积码，或两者级联的方式进行，并对采用上述编码后的码字进行 凿孔，以提高编码效率；

2.2)目的节点对本地将要被发送的数据进行伪随机高斯编码， 得到干扰信号x_z，并以干扰功率P_D将该信号发送到不可靠中继节点， 其中所述的伪随机高斯编码采用有限状态的伪随机序列产生器进行 编码，并对采用上述编码后的码字进行凿孔，以提高编码效率；

2.3)不可靠中继节点收到信息信号x_s和干扰信号x_z后，对混合 信号进行解调和译码，以窃取源节点的发送信息。

S3在第二个(1-α_H)T/2时隙内，不可靠中继节点转发接收到的混 合信号，目的节点接收信号。

3.1)不可靠中继节点根据接收到的混合信号，计算其协作转发 时的功率放大系数：$\beta =\sqrt{\frac{1}{P_S{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2/d_{\mathrm{SR}}^m+P_D{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2/d_{\mathrm{RD}}^m+{\sigma }_R^2}},$其中，P_S表示 源节点的发送功率，P_D表示目的节点的干扰功率，|h_SR|²表示源节点到 不可靠中继节点信道的功率增益，|h_RD|²表示不可靠中继节点到目的节 点信道的功率增益，表示不可靠中继节点到目的节点的距离，表 示不可靠中继的噪声功率；

3.2)不可靠中继节点以恒定转发功率P_R向目的节点放大并转发 接收的混合信号。

S4目的节点对不可靠中继节点转发的混合信号进行自干扰消除， 并对干扰消除后的信号进行信息检测：

4.1)目的节点根据第一个(1-α_H)T/2时隙内的干扰信号x_z进行自 干扰消除；

4.2)目的节点对自干扰消除后的信号进行解调和译码。

下面结合图5对本发明效果做进一步描述。

图5给出了本发明中继协作系统的保密中断概率随源节点发送 功率的变化曲线。由图可以看出，随着源节点发送功率的增加，不可 靠中继节点和目的节点通过收集源节点的能量信号，以提供协作干扰 和放大转发的能量，降低了网络额外的功率开销，且保密中断概率随 着源节点发送功率的增加不断下降，使中继协作获得了更优的保密传 输性能。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思， 作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在 本发明权利要求的保护范围之内。