CN105245269A - 物理层安全通信中的信能同传中继传输方法 - Google Patents

Abstract

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_H；2)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；3)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；4)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。本发明能够有效的延长中继网络的网络寿命，且实现复杂度低、传输安全性高，可用于物理层安全中继协作通信系统。

Description

物理层安全通信中的信能同传中继传输方法

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：

${\mathrm{\α}}_R=\frac{d_{SR}^m{P}_R}{2{\mathrm{\η}}_R{P}_S|h_{SR}{|}^2+d_{SR}^m{P}_R};$

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：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{d_{SD}^m{P}_D}{2{\mathrm{\η}}_D{P}_S|h_{SD}{|}^2+d_{SD}^m{P}_D};$

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：

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

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： $\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{1}{P_S{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2/d_{\mathrm{SR}}^m+P_D{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2/d_{\mathrm{RD}}^m+{\mathrm{\σ}}_R^2}},$ 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。

Claims (9)

1.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；其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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：

${\mathrm{\α}}_R=\frac{d_{SR}^m{P}_R}{2{\mathrm{\η}}_R{P}_S|h_{SR}{|}^2+d_{SR}^m{P}_R};$

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：

${\mathrm{\α}}_D=\frac{d_{SD}^m{P}_D}{2{\mathrm{\η}}_D{P}_S|h_{SD}{|}^2+d_{SD}^m{P}_D};$

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。

3.根据权利要求1或2所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求2所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求5所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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：

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

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。

9.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的信能同传中继传输方法，其特征在于，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。