基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法

摘要

本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙和第二传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源将有用信息广播至中继和窃听者，中继节点将部分接收到的信号通过能量采集技术转化为能量，且同时将采集的能量用以发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第二传输时隙中，信源广播人工噪声信号给中继和窃听者，中继通过对噪声信号采集能量，同时将采集的能量用于转发信息至信宿，窃听节点对中继转发过程的窃听受到了信源发送噪声信号的干扰。中继在两个时隙均为全双工工作模式，且中继使用干扰自消除技术对自干扰信号进行消除，从而提升了系统的安全性能。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法。

背景技术

随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性，近几年，对于无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法，提升了网络的安全性能，从而保障了信息的安全传输。

一种基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法，用于全双工中继网络，其中全双工中继网络包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙和第二传输时隙完成，在所述第一传输时隙中，信源将有用信息广播至中继和窃听者，中继节点将部分接收到的信号通过功率分配能量采集技术转化为能量，并同时将采集的能量用以发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在所述第二传输时隙中，信源广播人工噪声信号给中继和窃听者，中继通过对噪声信号采集能量，同时将采集的能量用于转发信息至信宿，窃听节点对中继转发过程的窃听受到了信源发送噪声信号的干扰，中继在所述第一传输时隙和第二传输时隙均为全双工工作模式。

在本发明的较佳实施例中，所述第一传输时隙中，中继接收信号的表达式为其中P_S为信源的发送功率，d₁为信源到中继的距离，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，h_RR为中继收发天线间的自干扰信道参数，x为单位方差信源信号，n_R表示方差为σ²的加性白高斯噪声。

在本发明的较佳实施例中，所述第一传输时隙中，采用的功率分配能量采集技术中采集的能量表示为其中β(0<β<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，同时，所述第一传输时隙中继采集的能量全部用于第一传输时隙发送人工噪声来干扰窃听者的窃听。

在本发明的较佳实施例中，所述第一传输时隙中，当部分信号用于能量采集之后，且中继处于全双工的工作模式下，中继实际接收到的信号为其中P_R1表示中继在第一时隙的发送功率，且h_RR为中继自干扰信道参数，f_R为中继发送的单位方差人工噪声信号，并且，窃听者在所述第一传输时隙的接收信号表达式为：其中，d₃表示信源到窃听者的距离，d₄表示中继到窃听者的距离，h_SE表示信源与窃听者间信道系数，h_RE表示中继与窃听者间信道系数，在所述第一传输时隙中，中继和窃听者的接收信噪比分别表示为：

在所述第二传输时隙中，信宿接收信号表达式为：窃听者接收信号表达式为其中d₂为中继到信宿之间的距离，f_S为中继发送的单位方差人工噪声信号，h_RD表示中继与信宿间信道系数，n_RD，n_RE均表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R2表示中继在所述第二传输时隙的发送功率，且在所述第二传输时隙中，信宿接收信号表达式为：窃听者接收信号表达式为其中d₂为中继到信宿之间的距离，f_S为中继发送的单位方差人工噪声信号，h_RD表示中继与信宿间信道系数，n_RD，n_RE均表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R2表示中继在所述第二传输时隙的发送功率，且在所述第二传输时隙中，信宿接收信号表达式为：窃听者接收信号表达式为其中d₂为中继到信宿之间的距离，f_S为中继发送的单位方差人工噪声信号，h_RD表示中继与信宿间信道系数，n_RD，n_RE均表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R2表示中继在所述第二传输时隙的发送功率，且在所述第二传输时隙中，信宿和窃听者的接收信噪比分别为：

在本发明的较佳实施例中，在所述第一传输时隙和第二传输时隙中，中继采用固定解码转发协议，合法信道接收信噪比表示为γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，窃听者采用选择合并方式合并所述第一传输时隙和第二传输时隙接收的信号，窃听信道接收信噪比表示为γ_E＝max(γ_SE,γ_RE)。

在本发明的较佳实施例中，还包括增强系统安全性能的功率分配步骤，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_D-C_E]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)。由此可得平均安全速率表示为E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示对x求均值，当功率分配因子取最优值时，系统的平均安全速率达到最大，系统安全性能达到最好。

本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙和第二传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源将有用信息广播至中继和窃听者，中继节点将部分接收到的信号通过能量采集技术转化为能量，且同时将采集的能量用以发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第二传输时隙中，信源广播人工噪声信号给中继和窃听者，中继通过对噪声信号采集能量，同时将采集的能量用于转发信息至信宿，窃听节点对中继转发过程的窃听受到了信源发送噪声信号的干扰。中继在两个时隙均为全双工工作模式，且中继使用干扰自消除技术对自干扰信号进行消除，由于在两个传输时隙中都对窃听者进行了人工噪声加扰，从而提升了系统的安全性能，并且中继考虑采用了无线信号能量采集技术，适用于一些不便于大规模有线供能的中继网络，如传感器网络等。

附图说明

图1a)是本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继网络安全通信系统传输流程图；

图1b)是本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继网络安全传输方法的功率分配框图；

图2是本发明中的中继网络仿真环境下的二维拓扑图；

图3是本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继网络安全传输方法与传统半双工传输方法相比在平均安全速率随信源发送功率增大时的变化对比图；

图4是在25dB,15dB，5dB的信源发送功率下，平均安全速率随功率分配因子最优取值增大时的变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明，

参见图1(a)和1(b)，图1(a)中包含四个节点，分别为信源、中继、信宿和窃听者，图1(b)中S、R、D、E分别代表信源、中继、信宿和窃听者，其中全双工中继采用两根天线分别用于接收和发送信号，其他节点均为单天线，且中继为无源节点，需通过无线能量采集为其工作供能，由于信源与信宿间距离较远，没有直达路径，中继在第一传输时隙和第二传输时隙均为全双工工作模式，且中继使用干扰自消除技术对自干扰信号进行消除，系统中所有信道均采用瑞利衰落信道，信源与信宿之间由为第一传输时隙和第二传输时隙完成安全通信，具体步骤如下：

步骤1)，在第一传输时隙中，信源将信息广播至中继和窃听者，与此同时，中继发送人工噪声信号干扰窃听者的窃听，中继接收信号的表达式为其中P_S为信源的发送功率，d₁为信源到中继的距离，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，h_RR为中继收发天线间的自干扰信道参数，x为单位方差信源信号，n_R表示方差为σ²的加性白高斯噪声；

步骤2)，在第一传输时隙中，由于中继采用了基于功率分配的能量采集技术，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，中继在第一时隙采集的能量表示为：其中β(0<β<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，同时，所述第一传输时隙中继采集的能量全部用于第一传输时隙发送人工噪声来干扰窃听者的窃听；

步骤3)，在第一传输时隙中，当部分信号用于能量采集之后，且中继处于全双工的工作模式下，中继实际接收到的信号为其中P_R1表示中继在第一时隙的发送功率，且h_RR为中继自干扰信道参数，f_R为中继发送的单位方差人工噪声信号，并且，窃听者在所述第一传输时隙的接收信号表达式为：其中，d₃表示信源到窃听者的距离，d₄表示中继到窃听者的距离，h_SE表示信源与窃听者间信道系数，h_RE表示中继与窃听者间信道系数，在所述第一传输时隙中，中继和窃听者的接收信噪比分别表示为：

步骤4)，在第二传输时隙中，信源广播人工噪声信号至中继和窃听者，中继对接收到的噪声信号采集全部能量，同时将所采集能量全部用于转发信息至信宿，窃听节点对中继转发过程的窃听受到了信源发送人工噪声信号的干扰。由此可知第二时隙中，信宿接收信号表达式为：

窃听者接收信号表达式为其中d₂为中继到信宿之间的距离，f_S为中继发送的单位方差人工噪声信号，h_RD表示中继与信宿间信道系数，n_RD，n_RE均表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R2表示中继在第二时隙的发送功率，且在第二传输时隙中，信宿和窃听者的接收信噪比分别为：

步骤5)，基于上述步骤，且考虑中继采用固定解码转发协议，合法信道接收信噪比表示为γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，窃听者采用选择合并方式合并第一传输时隙和第二传输时隙接收的信号，窃听信道接收信噪比表示为γ_E＝max(γ_SE,γ_RE)；

步骤6)，基于上述步骤，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_D-C_E]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)。由此可得平均安全速率表示为E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示对x求均值。

步骤7)，通过遍历功率分配因子，可以得到使得系统安全性能最强时的最优取值，并且分析信源发送功率增大对功率分配因子最优取值的影响。

图2是本发明中的中继网络仿真环境下的二维拓扑图，其中，信源位于点(0,0)，中继位于点(0.5,0.3)，信宿位于点(1,0)，窃听者位于点(0.5,-0.3)。图3是本发明中的基于功率分配能量采集技术的全双工中继网络安全传输方法与传统半双工传输方法相比在平均安全速率随信源发送功率增大时的变化对比图，仿真环境:功率分配因子β＝0.6，信道衰落系数m＝3，能量转化效率η＝0.4，中继自干扰信道平均信道增益E(|h_RR|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均为1，作为对比，图3中还给出了传统的基于功分能量采集技术的半双工中继网络平均安全速率的变化曲线，传统方案的中继在第一时隙采集的能量全部用于第二时隙转发信息，未充分考虑保障物理层传输方面的安全性。从图3中可以看出本方案的平均安全速率随着信源发送功率P_S的增大而增加，且显著高于传统方案，从而有效增强了系统的安全传输性能。图4是在25dB,15dB，5dB的信源发送功率下，功率分配因子β最优取值的变化情况，仿真环境:功率分配因子β＝0.6，信道衰落系数m＝3，能量转化效率η＝0.4，中继自干扰信道平均信道增益E(|h_RR|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均为1，从图4中可以看出，信源发送功率的增加使得功率分配因子最优取值右移，且当功率分配因子取最优值时，系统的平均安全速率达到最大，系统安全性能达到最好。

综上所述，该基于功率分配能量采集技术的全双工中继安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙和第二传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源将有用信息广播至中继和窃听者，中继节点将部分接收到的信号通过能量采集技术转化为能量，且同时将采集的能量用以发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第二传输时隙中，信源广播人工噪声信号给中继和窃听者，中继通过对噪声信号采集能量，同时将采集的能量用于转发信息至信宿，窃听节点对中继转发过程的窃听受到了信源发送噪声信号的干扰。中继在两个时隙均为全双工工作模式，且中继使用干扰自消除技术对自干扰信号进行消除，由于在两个传输时隙中都对窃听者进行了人工噪声加扰，从而提升了系统的安全性能，并且中继考虑采用了无线信号能量采集技术，适用于一些不便于大规模有线供能的中继网络，如传感器网络等。

上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。