CN106102117A - 两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案。此方案中，根据发送端到中继端及中继端到目的端的信道质量，设计了最优的链路选择方案。然后根据中继节点的数据队列状态及能量队列状态，提出了最大化安全速率问题。针对此优化问题，本发明提出了一个两阶段的迭代求解算法并得到了每个时隙最优的链路选择及功率分配方案。仿真结果表明，本发明所提方案可以提高用户的安全速率。

Description

两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及中继网络中链路选择及功率分配方案设计，具体涉及一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法。

背景技术

由于无线信道的广播特性，每一个在无线网络传播范围内的用户都可以接收到信息，因此无线网络很容易受到窃听威胁。由于加密的复杂性及密钥传输的困难，传统加密算法越来越受到挑战。基于无线信道的物理特性的物理层安全传输技术在最近得到了广泛的研究。

在两跳网络中，固定的转发机制很容易窃听。例如：用户先进行源到中继的传输，然后进行中继到目的端的传输这种固定传输模式，窃听端很容易根据每一个时隙的传输状况移动其位置进行更好的窃听。此外，考虑到绿色通信的要求，能量收割技术可以极大的提高能量效率。

针对以上问题，本发明提出了一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案。此方案中，根据两跳链路质量，设计了最优的链路选择方案。然后根据中继节点的数据队列状态及能量状态，提出了最优化问题。针对此优化问题，本发明提出了一个两阶段的求解算法并且求得了每个时隙最优的链路选择及功率分配方案。仿真结果表明，本发明所提方案可以提高用户的安全速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案，该方法能有效提高用户的安全速率及能量效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

在具有缓存的中继协作下，数据存储在数据队列，然后再进行传输，并且中继采用能量收割的方法收集能量进行传输，具体实施步骤如下：

1)信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为

$y_r\left(k\right)=\sqrt{p_s}{h}_{sr}\left(k\right)x_s\left(k\right)+n_r\left(k\right);$

其中，p_s为发送端的发射功率，h_sr为发送端到中继端的信道系数，|x_s(k)|²＝1为发射端传输的信号，n_r为接收到的噪声，数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端：

$y_d(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{rd}(k+t)x_r(k+t)+n_d(k+t);$

其中，p_r为中继端的发射功率，h_rd为中继端到目的端的信道系数，|x_r(k+t)|²＝1为中继端转发的信号，n_d接收到的噪声，此时，窃听端也接收到信号：

$y_e(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{re}(k+t)x_r(k+t)+n_e(k+t);$

其中，h_re为中继端到窃听端的信道系数，n_e窃听端接收到的噪声；

2)由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：

其中g_sr为发送端到中继端的信道功率增益，g_rd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益，根据链路选择方案，当I_k＝1，此时中继转发数据到目的端，当I_k＝0，源发送数据到中继端；

3)根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量，中继端电池在k+1时隙的能量状态为：

B_r(k+1)＝B_r(k)+E_r(k)-p_r(k)I_kT

其中B_r(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，B_r(k)为中继端电池在k时隙时的能量，E_r(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度，由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到

$\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{E}_r\left(i\right),k=1,2,...,N$

此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即

$\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}{E}_r\left(i\right)-T\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤B_r^{\max },k=1,2,...,N$

其中为中继的总能量；

4)根据最优链路选择方案，前k个时隙内中继转发的数据不能多于其接收的数据，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right),k=1,2,...,N.\end{array}$

此外，由于受到中继缓存容量的限制，每个时隙结束蛙，中继缓存内的数据不能大于缓存的最大容量，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\≤Q_d^{\max },k=1,2,...,N.\end{array}$

5)根据最优链路选择方案，用户的安全速率为

$R_s=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log{\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)}^{+}{I}_k\left(p_r\right)\·$

6)根据最优链路选择方案及中继端能量和数据缓存的状态，最大化网络中的安全容量，并在每个时隙最优的选择传输链路，分配中继端的功率，得到以下优化问题：

$P1:\underset{p_r\left(k\right),I_k}{max}{R}_s$

7)对于优化问题P1，采用两步迭代算法可以求得每个时隙最优的功率分配及信道选择：

第一步，假设链路选择方案结定，最优的分配中继端传输功率：

将P1中最后一个优化问题写为：

$\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)I_k\left(p_r\right)\≥R_s\·$

因而，此优化问题可以写为

$P2:\underset{p_r\left(k\right)}{max}{R}_s$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{E}_r\left(i\right),\\ \underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}{E}_r\left(i\right)-T\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤B_r^{\max },\\ \underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right),\\ \underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right)\\ -\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\≤Q_d^{\max },\\ \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\log \left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{rd}^2}\right)I_k\left(p_r\right)\≥R_s\\ k=1,2,...,N.\end{array}\right.$

对于优化问题P2，采用凸优化算法进行最优求解；

第二步，根据第一步得到的分配功率，最优的进行链路选择；

重复步骤一和二，直到得到最优的功率分配及链路选择方案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出了一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案。此方案中，根据发送端到中继端及中继端到目的端的信道质量，设计了最优的链路选择方案。然后根据中继端的缓存状态及能量队列状态，提出了最大化安全速率问题。针对此优化问题，本发明提出了一种两阶段的迭代求解算法。根据此最优化问题求解，可以得到每个时隙最优的链路选择及功率分配方案。仿真结果表明，本发明所提方案可以提高用户的安全速率。

附图说明

图1为认知无线电网络传输模型；

图2为用户安全速率随数据缓存容量变化仿真图；

图3为用户安全速率随发送端发送功率变化仿真图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明考虑一个两跳中继网络，如图1所示。此网络有发送端(S)，中继端(R)和接收端(D)组成。此外，还有一个窃听节点(E)，时刻窃听网络的信息。由于信道衰落及距离因素，S和D，S和E之间没有直接传输链路。R具有数据缓存，同时可以收割周围环境的能量。

两跳中继网络都经历了独立平稳的瑞利衰落，即：在每一帧内，信道状态保持不变，而在不同的帧间，信道状态独立变化。此外，每个数据帧分为两个时隙，分别对应于授权用户的首次传输及重新传输。S→R，R→D及R→E的信道功率增益分别为g_sr，g_sd和g_se。由于这些信道经历了瑞利衰落，因此变量g_sr，g_sd和g_se服从指数分布，并且其参数分别为和假设系统中的噪声为循环高斯白噪声并且服从零均值单位方差的高斯分布。发送端的传输功率为p_s。本发明采用窃听编码机制，即用户的传输速率为R_sd和最小安全速率为R_s，两个速率的差值为冗余速率，来抵抗用户窃听。

本发明首先提出了一种链路选择方案，根据此方案选择最优的传输链路。同时考虑到中继的传输功率将会影响链路选择，本发明将联合优化链路选择及中继发射功率。

信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为

$y_r\left(k\right)=\sqrt{p_s}{h}_{sr}\left(k\right)x_s\left(k\right)+n_r\left(k\right);$

其中，p_s为发送端的发射功率，h_sr为发送端到中继端的信道系数，|x_s(k)|²＝1为发射端传输的信号，n_r为接收到的噪声。数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端：

$y_d(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{rd}(k+t)x_r(k+t)+n_d(k+t);$

其中，p_r为中继端的发射功率，h_rd为中继端到目的端的信道系数，|x_r(k+t)|²＝1为中继端转发的信号，n_d接收到的噪声。此时，窃听端也接收到信号：

$y_e(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{re}(k+t)x_r(k+t)+n_e(k+t);$

其中，h_re为中继端到窃听端的信道系数，n_e窃听端接收到的噪声；

由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：

其中g_sr为发送端到中继端的信道功率增益，g_rd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益。

根据链路选择方案，当I_k＝1，此时中继转发数据到目的端，当I_k＝0，源发送数据到中继端。

根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量。中继端电池在k+1时隙的能量状态为：

B_r(k+1)＝B_r(k)+E_r(k)-p_r(k)I_kT

其中B_r(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，B_r(k)为中继端电池在k时隙时的能量，E_r(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度。

由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到

$\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{E}_r\left(i\right),k=1,2,...,N$

此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即

$\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}{E}_r\left(i\right)-T\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤B_r^{\max },k=1,2,...,N$

其中为中继的总能量。

根据最优链路选择方案，前k个时隙内中继转发的数据不能多于其接收的数据，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right),k=1,2,...,N.\end{array}$

此外，由于受到中继缓存容量的限制，每个时隙结束蛙，中继缓存内的数据不能大于缓存的最大容量，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right)\\ -\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\≤Q_d^{\max },k=1,2,...,N.\end{array}$

根据最优链路选择方案，用户的安全速率为

$R_s=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log{\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)}^{+}{I}_k\left(p_r\right)\·$

根据最优链路选择方案及中继端能量和数据缓存的状态，最大化网络中的安全容量，并在每个时隙最优的选择传输链路，分配中继端的功率，得到以下优化问题：

$P1:\underset{p_r\left(k\right),I_k}{max}{R}_s$

对于优化问题P1，采用两步迭代算法可以求得每个时隙最优的功率分配及信道选择

第一步，假设链路选择方案结定，最优的分配中继端传输功率：

将P1中最后一个优化问题写为：

$\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)I_k\left(p_r\right)\≥R_s\·$

因而，此优化问题可以写为

$P2:\underset{p_r\left(k\right)}{max}{R}_s$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{E}_r\left(i\right),\\ \underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}{E}_r\left(i\right)-T\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤B_r^{\max },\\ \underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right),\\ \underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}\log \left(1+p_s{g}_{sr}\left(k\right)\right)\left(1-I_k\left(p_r\right)\right)\\ -\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log \left(1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)\right)I_k\left(p_r\right)\≤Q_d^{\max },\\ \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\log \left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{rd}^2}\right)I_k\left(p_r\right)\≥R_s\\ k=1,2,...,N.\end{array}\right.$

对于优化问题P2，采用凸优化算法进行最优求解。

第二步，根据第一步得到的分配功率，最优的进行链路选择。

重复步骤一和二，直到得到最优的功率分配及链路选择方案。

仿真实验：

本发明将对所提的频谱共享方案进行仿真验证。同时，本发明也将仿真没有缓存协助的方案以及，在每个时隙安全使用所有功率的贪婪方案。

图2得到了平均安全速率随缓存最大容量变化的曲线。从图中可以看出，随着缓存容量的增大，平均安全速率将会增大。这是因为缓存容量变大时，每一个时隙，中继网络会有更多的选择来存储数据或者转发数据。当最大容量较大时，由于收割功率的限制，用户的平均安全速率降低。此外，还可以看出无缓存时，平均安全速率最小，贪婪算法由于没有考虑到功率最优分配，其平均安全速也较小。

图3得到了用户平均安全速率随发送端功率p_s变化的曲线。由图中可以看出，随着p_s的增大，用户的平均安全速率先增大后减小。其原因为，在p_s较小时，发送端到中继端的链路过少选择，因而转发数据有限。而p_s过大时，中继到目的端的链路选择次数有限，因而平均安全速率下降。贪婪算法依然差于所提方案，优于无缓存算法。

Claims (1)

1.一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法，其特征在于，在具有缓存的中继协作下，数据存储在数据队列，然后再进行传输，并且中继采用能量收割的方法收集能量进行传输，具体实施步骤如下：

1)信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为

$y_r\left(k\right)=\sqrt{p_s}{h}_{sr}\left(k\right)x_s\left(k\right)+n_r\left(k\right);$

其中，p_s为发送端的发射功率，h_sr为发送端到中继端的信道系数，|x_s(k)|²＝1为发射端传输的信号，n_r为接收到的噪声，数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端：

$y_d(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{rd}(k+t)x_r(k+t)+n_d(k+t);$

其中，p_r为中继端的发射功率，h_rd为中继端到目的端的信道系数，|x_r(k+t)|²＝1为中继端转发的信号，n_d接收到的噪声，此时，窃听端也接收到信号：

$y_e(k+t)=\sqrt{p_r(k+t)}{h}_{re}(k+t)x_r(k+t)+n_e(k+t);$

其中，h_re为中继端到窃听端的信道系数，n_e窃听端接收到的噪声；

2)由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：

其中g_sr为发送端到中继端的信道功率增益，g_rd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益，根据链路选择方案，当I_k＝1，此时中继转发数据到目的端，当I_k＝0，源发送数据到中继端；

3)根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量，中继端电池在k+1时隙的能量状态为：

B_r(k+1)＝B_r(k)+E_r(k)-p_r(k)I_kT

其中B_r(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，B_r(k)为中继端电池在k时隙时的能量，E_r(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度，由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到

$\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{E}_r\left(i\right),k=1,2,...,N$

此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即

$\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}{E}_r\left(i\right)-T\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_r\left(i\right)I_i\left(p_r\right)\≤B_r^{\max },k=1,2,...,N$

其中为中继的总能量；

4)根据最优链路选择方案，前k个时隙内中继转发的数据不能多于其接收的数据，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log (1+p_r(k\left)g_{rd}\right(k\left)\right)I_k\left(p_r\right)\\ \≤\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log (1+p_s{g}_{sr}(k\left)\right)(1-I_k(p_r\left)\right),k=1,2,...,N\end{array}.$

此外，由于受到中继缓存容量的限制，每个时隙结束蛙，中继缓存内的数据不能大于缓存的最大容量，即

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{k+1}{\Σ}}\log (1+p_s{g}_{sr}(k\left)\right)(1-I_k(p_r\left)\right)\\ -\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\log (1+p_r(k\left)g_{rd}\right(k\left)\right)I_k\left(p_r\right)\≤Q_d^{\max },k=1,2,...,N\end{array}.$

5)根据最优链路选择方案，用户的安全速率为

$R_s=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log{\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)}^{+}{I}_k\left(p_r\right).$

6)根据最优链路选择方案及中继端能量和数据缓存的状态，最大化网络中的安全容量，并在每个时隙最优的选择传输链路，分配中继端的功率，得到以下优化问题：

$P1:\underset{p_r\left(k\right),I_k}{max}{R}_s$

7)对于优化问题P1，采用两步迭代算法可以求得每个时隙最优的功率分配及信道选择：

第一步，假设链路选择方案结定，最优的分配中继端传输功率：

将P1中最后一个优化问题写为：

$\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}log\left(\frac{1+p_r\left(k\right)g_{rd}\left(k\right)}{1+p_r\left(k\right){\mathrm{\σ}}_{re}^2}\right)I_k\left(p_r\right)\≥R_s.$

因而，此优化问题写为

$P2:\underset{p_r\left(k\right)}{max}{R}_s$

对于优化问题P2，采用凸优化算法进行最优求解；

第二步，根据第一步得到的分配功率，最优的进行链路选择；

重复步骤一和二，直到得到最优的功率分配及链路选择方案。