CN104022841A - 一种基于加密传输和无线携能的通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加密传输和无线携能的通信方法和系统，属于无线通信技术领域。该方法在发送端BS的信号中加入人工附加噪声，在保持主用户链路上的信噪比的前提下，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，提升了信息传输的安全性；在接入端采用基于时隙切换的动态功率分配方法，利用时隙的切换将一部分信号用作能量采集，另一部分信号用于信息交互，实现能量与信息的同时传输，并将用户从基站中接收到的一部分信号进行能量收集，将该部分信号转化成化学能储存在电池中，以满足该用户节点运作的动力所需；同时，本方法针对实际信道信息的不完整特性，采用范数逼近的有损方案，使得系统装置具有在不完美信道环境中运行的可能性，从而增强了系统的鲁棒性。

Description

一种基于加密传输和无线携能的通信方法和系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于加密传输和无线携能的通信方法和系统。

背景技术

随着当前社会的飞速发展，跨学科、多平台的整合与集成逐渐成为技术创新的重要趋势与产业进步的源源动力。同时，由于资源的短缺，水源、能源和无线电频谱等传统有限资源在人们日益增长的需求下变得捉襟见肘。因此,可持续的科学发展迫切需要整合通信技术与能源技术现有的研究成果，推陈出新，在既满足人们对高效可靠信息交互的需求的同时，又能有效地应对能源和频谱短缺的压力。

另一方面，信息安全问题也逐渐成为了当前无线通信的一个热门话题，如何实现加密传输，也受到了学者们的重视和关注。

图1为一个具有传统的三个节点的无线携能通信系统的拓扑示意图，其中，BS为信号发射基站，User为主链上路通信的用户，负责基站到用户的信息解码传输，EA是随机分布在场景中的窃听者，具有窃听主链路上信息传输的能力。User用户和EA用户都可能具有从基站发射的信号中采集能量的能力。

此外，在Liang Liu and Rui Zhang,“Secrecy Wireless Information and Power Transfer withMISO Beamoforming”,IEEE Signal Processing Magazine,vol.62,no.7中，如图2所示：系统中包含一个BS，一个User节点和K个ER(Energy Receiver)节点，用户User负责信息的传输，周围的ER用户是具有能量采集能力的节点，并可以利用相关技术装置，将采集的能量转化成化学能并储存在电池中以备相应User用户运作的能量所需。然而，从信息传输安全角度出发，系统模型中的ER用户也具有良好的信道信息，所以也有可能成为一些不法分子的窃听节点，窃听从BS向User传输的信息，从而使得信息传输的保密性大大降低，最终引发一系列的信息安全问题。

在现实通信环境中，发送端基站BS不难拥有主用户链路上的信道静态信息，然而由于窃听用户存在的位置随机性，使得基站BS不可能拥有窃听链路上完整的信道静态信息，因此，传统的无线携能系统并未考虑了存在信道的不确定性，也就是信道的鲁棒性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于加密传输和无线携能的通信方法和系统，并针对不完美信道的系统环境提出了相应的鲁棒性解决方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于加密传输和无线携能的通信方法，所述通信方法在发送端BS的信号中加入人工附加噪声，在保持主用户链路上的信噪比的前提下，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，最后提升信息传输的安全性；

在接入端用户处采用基于时隙切换的动态功率分配方法，利用时隙的切换将一部分信号用作能量采集，另一部分信号用于信息交互，实现能量与信息的同时传输；在接入端用户处对能量进行采集，将用户从基站中接收到的一部分信号进行能量收集，并将该部分信号转化成化学能储存在电池中，以满足该用户节点运作的动力所需。

进一步，在所述通信方法中还针对实际信道信息的不完整特性，采用范数逼近不完美信道模型的方法,并充分利用信道中已知的静态信息，获得二次型分离算子，从而得到系统参数矩阵，同时，对信道描述矩阵进行解耦，改写系统模型的约束条件，使得装置在不完美信道的情形下也具有运行的适应性，从而增强了系统的鲁棒性。

一种基于加密传输和无线携能的通信系统，包括发送端基站BS的基站控制器、接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置以及接收端主用户User的信号检测控制器；所述发送端基站BS的基站控制器用于在产生的信号中加入人工附加噪声，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，提升信息传输的安全性；

所述接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置用于在接收到发自基站BS的信号之后，使用动态功率分配的方式实现将一部分信号用于能量采集，另一部分信号用于信息传输，在能量传输的同时完成信息交互，实现能量与信息的并行传输；

所述接收端主用户User的信号检测控制器用于将接收到的混合信号经合理选取解调技术和信号检测技术提取有用信号并进行输出。

进一步，所述发送端基站BS的基站控制器包括：

检测模块，用于检测主链路信道特性和窃听链路信道特性；控制模块，用于根据检测模块得到的主链路和窃听链路特性分析相应数据，设计产生相应的人工附加噪声；生成模块，用于根据控制模块的信息合成信号与人工噪声组成的混合信号，并采用相应的调制技术生成调制信号；发送模块，用于将生成模块产生的混合信号从发送端基站BS发出。

进一步，所述接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置包括：控制模块，用于利用不同的时隙之间的切换，完成能量采集和信息传输之间的动态分配，实现信息与能量的并行传输；能量采集模块，用于从接收的信息中采集能量，为用户节点提供运作的动力；信息解码模块，用于从接收的信息中提取信息，为用户与基站间实现信息交互。

进一步，所述接收端主用户User的信号检测控制器包括：控制模块，用于控制信号检测控制器的运行；检测模块，用于检测主链路的信道特性，获取相应的信道静态信息，并接收相应的信号；解调模块，用于采用相应的解调技术对混合信号进行解调；信号提取模块，用于对经过解调模块解调的信号进行还原并提取不包含附加噪声的有用信号。

本发明的有益效果在于：在发送端BS的信号中采用加入人工附加噪声，一方面可以在维持主链路用户的通信信噪比的前提下，极大降低周围可能存在的窃听用户的信噪比，从而使得信息的保密程度大大加强；另一方面，尽管发送的信息中包含一部分的噪声，但是从能量收集角度出发，发送的噪声也跟发送的信号一样，可以用于相应的装置中进行能量收集。另外在接收端的User用户中采用基于时隙切换实现动态功率分配的方式，同时进行能量收集和信息传输，在满足支撑该用户的运作动力的同时进行与发射基站的通信。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是带有三个节点的传统无线携能系统的模型示意图；

图2是另一种无线携能系统模型示意图；

图3是发送端基站BS的基站控制器示意图；

图4是接收端用户User的动态功率分配装置示意图；

图5是接收端用户User的信号检测控制器示意图；

图6是本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供了一种基于加密传输和无线携能的通信方法，该方法从信息传输安全角度出发，在发送端BS的信号中加入人工附加噪声，在保持主用户链路上的信噪比的前提下，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，提升信息传输的安全性，即：接收端主用户User和窃听用户在收到发送端基站BS的信号之后，其信噪比分别SINR_h和SINR_gk，在本发明中，在保证主链路用户的通信信噪比SINR_h的前提下，通过调整人工附加噪声的信号发送的幅度和方向，利用信道和信号的正交性，采用波束成形技术，降低周围可能存在的窃听用户的信噪比SINR_gk，从而使得信息的保密程度得到加强，最终实现基站和主用户User间的加密传输。

在接入端用户处采用基于时隙切换的动态功率分配方法，利用时隙的切换将一部分信号用作能量采集，另一部分信号用于信息交互，实现能量与信息的同时传输；在接入端用户处对能量进行采集，将用户从基站中接收到的一部分信号进行能量收集，并将该部分信号转化成化学能储存在电池中，以满足该用户节点运作的动力所需，实现绿色节能的目的。

同时，针对实际信道信息的不完整特性，采用范数逼近不完美信道模型的方法,并充分利用信道中已知的静态信息，获得二次型分离算子，从而得到系统参数矩阵，同时，对信道描述矩阵进行解耦，改写系统模型的约束条件，使得装置在不完美信道的情形下也具有运行的适应性，从而增强了系统的鲁棒性。

具体来说，本方法包括以下步骤：

a.发送基站BS采用附加人工噪声的方式发送信号，如下所示：

$x=v_0{s}_0+\underset{1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{s}_i$

其中，s₀表示基站向主用户User发送的有效信息，s_i则表示从基站BS发送信号中的人工噪声部分，v₀和w_i分别表示信息流向量和第i个链路上的能量流向量，假设主链路信道为h,该链路上的高斯附加白噪声为z₀,窃听链路为g_i,各链路的高斯附加白噪声分别为z_i，因此，在主用户User和窃听用户EA上接收到的信号分别可以用以下表示：

y₀＝h^Hx+z₀，

y_k＝g_k ^Hx+z_k，k＝1，...，K

b.主用户User接收端采用了基于时隙切换的动态功率分配的设计，如图4所示，接收到的信号分两部分，其中ρ部分信号用于信息解码，1-ρ部分用于能量采集，则主用户User和窃听用户接收端的信噪比分别可以表示为：

${\mathrm{SINR}}_h=\frac{\mathrm{\ρ}{\left|{v_0}^{H}h\right|}^2}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|{w_i}^{H}h\right|}^2+{{\mathrm{\ρ\σ}}_0}^2+{{\mathrm{\δ}}_0}^2}$

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{gk}}=\frac{{\left|{v_0}^H{g}_k\right|}^2}{{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|{w_i}^H{g}_k\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_k}^2},\∀k$

其中，σ₀为主链路信道上的高斯白噪声功率谱密度，δ₀为主用户在经过动态功率分配之后信息解码过程中的高斯白噪声功率谱密度，σ_k为第K个窃听链路信道的高斯白噪声功率谱密度。

同时，主用户从接收到的信息中采集到的并能转化成最终可供该节点运作的能量为

$\mathrm{\η}(1-\mathrm{\ρ})({\left|{v_0}^{H}h\right|}^2+\underset{1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{w_i}^{H}h\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_0}^2)$

其中，η为能量采集到能量储存的转换效率，σ₀为主链路信道上的高斯白噪声功率谱密度，δ₀为主用户在经过动态功率分配之后信息解码过程中的高斯白噪声功率谱密度，σ_k为第K个窃听链路信道的高斯白噪声功率谱密度。

c.根据香农公式从加密传输最大可达速率定义出发，该无线携能通信系统的最大加密传输速率可以表示为：

$R=\underset{1\≤k\≤K}{\min }\log (1+{\mathrm{SINR}}_h)-\log (1+{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{gk}})$

d.根据以上指标建立本发明的优化模型：

$\underset{v_0,\left\{w_i\right\},\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Maximize}}R$

$\underset{\‾}{s}..\underset{\‾}{t}.\mathrm{\η}(1-\mathrm{\ρ})({\left|{v_0}^{H}h\right|}^2+{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|{w_i}^{H}h\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_0}^2)\≥e^2,$

${\left|v_0\right|}^2+{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|w_i\right|}^2\≤\stackrel{\‾}{P},$

0≤ρ≤1

其中，e²表示所需要吸收的最小能量值，表示所能传输的最大能量。

从目标函数的定义出发，将以上优化模型改写为

$\underset{v_0,\left\{w_i\right\},\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Maximize}}\frac{\mathrm{\ρ}{\left|{v_0}^{H}h\right|}^2}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|{w_i}^{H}h\right|}^2+{{\mathrm{\ρ\σ}}_0}^2+{{\mathrm{\δ}}_0}^2}$

$s.t.\frac{{\left|{v_0}^H{g}_k\right|}^2}{{\mathrm{\Σ}}_1^d{\left|{w_i}^H{g}_k\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_k}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_e$

$\mathrm{\η}(1-\mathrm{\ρ})({{\left|{v_0}^{H}h\right|}^2+\underset{1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}\left|{w_i}^{H}h\right|}^2+{{\mathrm{\σ}}_0}^2)\≥e^2$

${\left|v_0\right|}^2+\underset{1}{\overset{d}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_i\right|}^2\≤P$

其中，γ_e表示窃听链路上接收端信噪比的阈值。

由于此优化模型属于QCQP类型的优化求解，为求得最优解，在本实施例中采用SDP松弛法，将上述模型重建如下：

$\underset{S,Q,\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Maximize}}\frac{\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HS}\right)}{\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)+({{\mathrm{\σ}}_0}^2+\frac{{{\mathrm{\δ}}_0}^2}{\mathrm{\ρ}})}$

s.t.Tr(G_kS)≤γ_e(Tr(G_kQ)+σ_k ²)

$\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HS}\right)+\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)\≥\frac{e^2/\mathrm{\η}}{1-\mathrm{\ρ}}-{{\mathrm{\σ}}_0}^2,$

Tr(S)+Tr(Q)≤P，

其中，H＝hh^H、G_k＝g_kg_k ^H，S^*和ρ^*分别为最优解且S^*满足Rank(S^*)＝1。该优化问题属于分式最优问题，可以转换为以下形式：

$\underset{t,{\mathrm{\γ}}_e,S,Q,\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Maximizet}}$

$s.t.\mathrm{Tr}\left(\mathrm{Hs}\right)-t(\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)+({{\mathrm{\σ}}_0}^2+\frac{{{\mathrm{\δ}}_0}^2}{\mathrm{\ρ}})\≥0,$

Tr(G_kS)≤γ_e(Tr(G_kQ)+σ_k ²)，

$\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HS}\right)+\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)\≥\frac{e^2/\mathrm{\η}}{1-\mathrm{\ρ}}-{{\mathrm{\σ}}_0}^2,$

Tr(S)+Tr(Q)≤P，

可以用CVX_TOOL BOX和经典的二分法或黄金分割法，解出最优解。

e.本发明最后考虑了在具有鲁棒性的环境中，发送端具有对主链路User完整信道链路信息，而对窃听用户却只有不完整的信息，数学表达如下：

$g_k=\widehat{g_k}+{\mathrm{\Δg}}_k,{{\mathrm{\Δg}}_k}^H{\mathrm{\Δg}}_k\≤{\mathrm{\ϵ}}_k,k=\mathrm{1,2,3}...K,$

是已知的第K条窃听链路上的信道静态信息，Δg_k为该链路上的未知信息量，ε_k为Δg_k的变化幅度。本发明利用范数逼近不完美信道模型的方法,并充分利用信道的已知静态信息，获得二次型分离算子，从而得到系统参数矩阵并对窃听用户信道描述矩阵进行解耦并改写系统模型的约束条件，最后得到的具有鲁棒性的优化模型如下：

$\underset{S,Q,\mathrm{\ρ}}{\mathrm{Maximize}}\frac{\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HS}\right)}{\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)+({{\mathrm{\σ}}_0}^2+\frac{{{\mathrm{\δ}}_0}^2}{\mathrm{\ρ}})}$

s.t.T(S，t，γ ₂ )≥0，

$\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HS}\right)+\mathrm{Tr}\left(\mathrm{HQ}\right)\≥\frac{e^2/\mathrm{\η}}{1-\mathrm{\ρ}}-{{\mathrm{\σ}}_0}^2,$

Tr(S)+Tr(Q)≤P

其中，T(S,t,γ₂)为该链路信道的二次型分离算子，γ₂为窃听链路上接收端信噪比的阈值。T(S,t,γ₂)表示如下：

$\begin{array}{c}T(S,t,{\mathrm{\γ}}_2)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\\ \left[\begin{array}{cc}{\mathrm{tI}}_{N_t}-(S-{\mathrm{\γ}}_{2}Q)& -(S-{\mathrm{\γ}}_{2}Q)\widehat{g_k}\\ -{\widehat{g_k}}^H(S-{\mathrm{\γ}}_{2}Q)& {\mathrm{\γ}}_2{{\mathrm{\σ}}_k}^2-{\mathrm{t\ϵ}}_k-{\widehat{g_k}}^H(S-{\mathrm{\γ}}_{2}Q)\widehat{g_k}\end{array}\right]\≥0\end{array}$

该优化问题，可有由经典的二分法或黄金分割法，利用CVX_TOOL BOX解出最优解。

在本实施例中，提供的一种基于加密传输和无线携能的通信系统，该通信系统包括发送端基站BS的基站控制器、接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置以及接收端主用户User的信号检测控制器，系统结构示意图如图6所示。

发送端基站BS的基站控制器用于在产生的信号中加入人工附加噪声，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，提升信息传输的安全性。

接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置用于在接收到发自基站BS的信号之后，使用动态功率分配的方式实现将一部分信号用于能量采集，另一部分信号用于信息传输，在能量传输的同时完成信息交互，实现能量与信息的并行传输。

接收端主用户User的信号检测控制器用于将接收到的混合信号经合理选取解调技术和信号检测技术提取有用信号并进行输出。

图3为发送端基站BS的基站控制器示意图，如图所示，在本实施例中，发送端基站BS的基站控制器包括：

检测模块101，用于检测主链路信道特性和窃听链路信道特性；控制模块102，用于根据检测模块得到的主链路和窃听链路特性分析相应数据，设计产生相应的人工附加噪声；生成模块103，用于根据控制模块的信息合成信号与人工噪声组成的混合信号，并采用相应的调制技术生成调制信号；发送模块104，用于将生成模块产生的混合信号从发送端基站BS发出。

图4为接收端用户User的动态功率分配装置示意图，如图所示：

在本实施例中，动态功率分配装置的模块包括：

控制模块201，用于动态调节能量采集和信息传输之间的功率分配，实现信息与能量的并行传输；

能量采集模块202，用于从接收的信息中采集能量，为用户节点提供运作的动力；

信息解码模块203，用于从接收的信息中提取信息，为用户与基站间实现信息交互。

图5为本发明实施例提供的终端信号检测装置的示意图，如图所示：

在本发明实施例中，终端信号检测装置的模块包括：

控制模块301，用于控制用户的信号检测控制器的运行；

检测模块302，用于检测主链路信道特性，获取相应的信道静态信息，并接收相应的信号；

解调模块303，用于根据检测模块的信息合成信号与人工噪声的混合信号，采用相应的解调技术进行解调；

信号提取模块304，用于将经过解调模块信号中还原并提取不包含附加噪声的有用信号。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于加密传输和无线携能的通信方法，其特征在于：

所述通信方法在发送端BS的信号中加入人工附加噪声，在保持主用户链路上的信噪比的前提下，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，最后提升信息传输的安全性；

在接入端用户处采用基于时隙切换的动态功率分配方法，利用时隙的切换将一部分信号用作能量采集，另一部分信号用于信息交互，实现能量与信息的同时传输；在接入端用户处对能量进行采集，将用户从基站中接收到的一部分信号进行能量收集，并将该部分信号转化成化学能储存在电池中，以满足该用户节点运作的动力所需。

2.根据权利要求1所述的一种基于加密传输和无线携能的通信方法，其特征在于：在所述通信方法中还针对实际信道信息的不完整特性，采用范数逼近不完美信道模型的方法,并充分利用信道中已知的静态信息，获得二次型分离算子，从而得到系统参数矩阵，同时，对信道描述矩阵进行解耦，改写系统模型的约束条件，使得装置在不完美信道的情形下也具有运行的适应性，从而增强了系统的鲁棒性。

3.一种基于加密传输和无线携能的通信系统，其特征在于：包括发送端基站BS的基站控制器、接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置以及接收端主用户User的信号检测控制器；

所述发送端基站BS的基站控制器用于在产生的信号中加入人工附加噪声，根据信道与人工噪声的正交性，采用波束成形技术，使得窃听链路的信噪比降低，从而使得系统的加密传输速率增大，提升信息传输的安全性；

所述接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置用于在接收到发自基站BS的信号之后，使用动态功率分配的方式实现将一部分信号用于能量采集，另一部分信号用于信息传输，在能量传输的同时完成信息交互，实现能量与信息的并行传输；

所述接收端主用户User的信号检测控制器用于将接收到的混合信号经合理选取解调技术和信号检测技术提取有用信号并进行输出。

4.根据权利要求3所述的一种基于加密传输和无线携能的通信系统，其特征在于：所述发送端基站BS的基站控制器包括：

检测模块，用于检测主链路信道特性和窃听链路信道特性；

控制模块，用于根据检测模块得到的主链路和窃听链路特性分析相应数据，设计产生相应的人工附加噪声；

生成模块，用于根据控制模块的信息合成信号与人工噪声组成的混合信号，并采用相应的调制技术生成调制信号；

发送模块，用于将生成模块产生的混合信号从发送端基站BS发出。

5.根据权利要求3所述的一种基于加密传输和无线携能的通信系统，其特征在于：所述接收端主用户User的基于时隙切换的动态功率分配装置包括：

控制模块，用于利用不同的时隙之间的切换，完成能量采集和信息传输之间的动态分配，实现信息与能量的并行传输；

能量采集模块，用于从接收的信息中采集能量，为用户节点提供运作的动力；

信息解码模块，用于从接收的信息中提取信息，为用户与基站间实现信息交互。

6.根据权利要求3所述的一种基于加密传输和无线携能的通信系统，其特征在于：所述接收端主用户User的信号检测控制器包括：

控制模块，用于控制信号检测控制器的运行；

检测模块，用于检测主链路的信道特性，获取相应的信道静态信息，并接收相应的信号；

解调模块，用于采用相应的解调技术对混合信号进行解调；

信号提取模块，用于对经过解调模块解调的信号进行还原并提取不包含附加噪声的有用信号。