CN106452655B

CN106452655B - 结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法

Info

Publication number: CN106452655B
Application number: CN201610634068.4A
Authority: CN
Inventors: 赵睿; 袁毅; 聂志巧; 贺玉成
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: CN106452655A

Abstract

本发明中的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，中继采用时间分配的能量采集技术；在第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第三传输时隙中，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，窃听者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，该安全传输方法有效地提升了协同中继网络安全性能。

Description

结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法。

背景技术

近几年，对于通信系统中能量消耗的研究热度日益高涨。随着新的通信网络中能量消耗的迅速增长，使得如何合理使用能量成为通信系统设计的一项重要考虑要素。并且，由于传统的电网供电方式并非适合在所有通信网络中使用，同样，如果采用电池供电方式，则会使得通信网络的后期更换电池或充电变得复杂，从而导致网络维护成本增大。作为一种新的解决方法，相关研究已经将能量采集技术融入不便于电网供电的通信网络，如研究十分火热的传感器网络。无线通信系统中使用的能量采集技术主要是对于接收信号所包含的能量进行采集。当然，所有通信网络必须在保障信息安全性的前提下才有意义。虽然传统的密码学在一定程度上保证了信息的安全性，但随着计算机计算能力的迅速提升，传统的加密算法在理论上是可以通过穷举的方法破解，从而威胁到信息的安全传输。物理层安全技术则是直接从物理层保障信息的安全性，通过充分利用无线信道的时变特性和空间特性来增强通信网络的安全传输。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，有效的提升了中继能量受限的协同中继网络安全性能。

一种结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，一种结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，用于中继网络，其中中继网络包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点，其特征在于：信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，在所述第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，中继采用时间分配的能量采集技术，所述第一传输时隙完全用于采集能量，忽略中继采集天线接收噪声的微弱能量；在所述第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在所述第三传输时隙中，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，窃听者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。

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＝[h_SR1,h_SR2]^T表示信源至中继两根天线的信道参数矩阵，f_S为信源发送的单位方差人工噪声信号，表示中继每根接收天线的噪声方差。

在本发明的较佳实施例中，在所述第一传输时隙中，中继采用时间分配的能量采集技术采集的能量为其中η表示无线能量采集中的能量转化效率因子，α表示时间分配因子，T表示三个时隙传输的总时长。

在本发明的较佳实施例中，中继在所述第二传输时隙接收到的信号为：

其中P_R2表示中继在第二时隙的发送功率，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，n_SR表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者节点在所述第二传输时隙接收信号的表达式为其中，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，d₃表示信源到窃听者的距离，d₄表示中继到窃听者的距离，n_SE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，中继和窃听者在所述第二传输时隙的接收信噪比分别为：

在所述第三传输时隙中，信宿接收信号表示为其中d₂为中继到信宿之间的距离，n_RD表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者在第三时隙接收的信号表达式为其中n_RE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R3表示中继在第三时隙的发送功率，且信宿和窃听者在所述第三传输时隙的接受信噪比分别为：

在本发明的较佳实施例中，在所述第二传输时隙和第三传输时隙中，中继采用固定解码转发协议进行转发，安全传输网络中的合法信道接收信噪比为γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，窃听者在所述第二传输时隙和所述第三传输时隙中都能窃听到有用信息，窃听者采用选择合并的方式合并所述第二传输时隙和第三传输时隙接收到的信号，窃听信道接受信噪比表示为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时间分配步骤，系统的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_D-C_E]⁺，其中表示max(a,0)，系统的遍历安全容量为E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示对x求均值，评价传输系统安全性的安全吞吐量表示为τ＝(1-α)E(C_S)，当时间分配因子取最优值时，系统的安全吞吐量达到最大，系统安全性能达到最好。

本发明中的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，中继采用时间分配的能量采集技术，第一传输时隙完全用于采集能量，忽略中继采集天线接收噪声的微弱能量；在第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第三传输时隙中，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，窃听者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，该安全传输方法合理地将物理层安全中常用的协作干扰技术与新颖的时间分配能量采集技术相结合，同时考虑到了实用的全双工模式，有效地提升了中继能量受限的协同中继网络安全性能，特别适用于需要对中继进行更换电池或者充电的中继网络，如传感器网络等。

附图说明

图1a)是本发明中的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输模型图；

图1b)是本发明中的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输的三个时隙分配图；

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是本发明中的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输策略与传统传输策略相比在安全吞吐量随信源发送功率增大时的变化对比图；

图4是在10dB,20dB，30dB的信源发送功率下，安全吞吐量随时间分配因子最优取值随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S、中继R、信宿D和窃听者E，其中全双工中继R配备两根天线，其他节点配置单天线，中继工作所需能量全部通过对无线信号采集能量得到,系统中所有信道均采用瑞利衰落信道，且考虑信源S与信宿D之间距离较远，没有直达路径，并且，信源与信宿之间的信息安全传输由第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，具体步骤如下：

步骤1)，在第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，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＝[h_SR1,h_SR2]^T表示信源至中继两根天线的信道参数矩阵，f_S为信源发送的单位方差人工噪声信号，表示中继每根接收天线的噪声方差；

步骤2)，第一传输时隙中，中继采用时间分配的能量采集技术，第一传输时隙完全用于采集能量，忽略中继采集天线接收噪声的微弱能量，中继采用时间分配的能量采集技术采集的能量为其中η表示无线能量采集中的能量转化效率因子，α表示时间分配因子，T表示三个时隙传输的总时长；

步骤3)，在第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听，中继在所述第二传输时隙接收到的信号为：其中P_R2表示中继在第二时隙的发送功率，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，n_SR表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者节点在所述第二传输时隙接收信号的表达式为其中，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，d₃表示信源到窃听者的距离，d₄表示中继到窃听者的距离，n_SE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，中继和窃听者在第二传输时隙的接收信噪比分别为：

步骤4)，在第三传输时隙中，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，窃听者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，在第三传输时隙中，信宿接收信号表示为其中d₂为中继到信宿之间的距离，n_RD表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者在第三时隙接收的信号表达式为其中n_RE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R3表示中继在第三时隙的发送功率，且信宿和窃听者在所述第三传输时隙的接受信噪比分别为：

步骤5)，在所述第二传输时隙和第三传输时隙中，中继采用固定解码转发协议进行转发，安全传输网络中的合法信道接收信噪比为γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，窃听者在所述第二传输时隙和所述第三传输时隙中都能窃听到有用信息，窃听者采用选择合并的方式合并所述第二传输时隙和第三传输时隙接收到的信号，窃听信道接受信噪比表示为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)，系统的遍历安全容量为E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示对x求均值，考虑在时延容忍的传输模型下，安全吞吐量作为评价传输系统安全性的有效指标，表示为τ＝(1-α)E(C_S)。

步骤7)，基于上述步骤，通过遍历时间分配因子α，可以得到时间分配因子在特定情况下的最优取值，并且分析不同信源发送功率对时间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)，中继位于点信宿位于点窃听者位于点作为对比，图3是将本发明所提出的传输策略与其他策略进行对比的结果图，仿真环境为:时间分配因子α＝0.2，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，各节点接收噪声方差σ²＝1，图中所给出传统的基于时间分配能量采集技术的传输策略中，中继是将第一时隙采集的能量完全用于第三时隙转发有用信息至信宿。图中的AF中继策略是将本发明所提传输策略中的中继解码转发协议变更成放大转发协议的策略。由图3可以看出本发明所提安全传输策略要明显优于传统传输策略和AF中继策略，并且本发明所得安全吞吐量随着信源发送功率P_S的增大而增加，传输安全性逐渐增强。图4是在10dB,20dB，30dB的信源发送功率下，时间分配因子α最优取值的变化情况，仿真环境为:时间分配因子α＝0.2，信道衰落系数m＝3，能量转化效率η＝0.4，d＝0.5，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，各节点接收噪声方差σ²＝1，图中可以看出，信源发送功率P_S的增加使得功率分配因子α最优取值左移，且当时间分配因子α取最优值时，系统的安全吞吐量达到最大，系统安全性能达到最好。

综上所述，该结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，在第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，中继采用时间分配的能量采集技术，第一传输时隙完全用于采集能量，忽略中继采集天线接收噪声的微弱能量；在第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在第三传输时隙中，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，窃听者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，该安全传输方法合理地将物理层安全中常用的协作干扰技术与新颖的时间分配能量采集技术相结合，同时考虑到了实用的全双工模式，有效地提升了中继能量受限的协同中继网络安全性能，特别适用于需要对中继进行更换电池或者充电的中继网络，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。

Claims

1.一种结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，用于中继网络，其中中继网络包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点，其特征在于：信源与信宿之间信息传输过程分为第一传输时隙、第二传输时隙和第三传输时隙完成，在所述第一传输时隙中，信源广播人工噪声至中继，中继通过两根天线进行能量采集，中继采用时间分配的能量采集技术，所述第一传输时隙完全用于采集能量，忽略中继采集天线接收噪声的微弱能量；在所述第二传输时隙中，信源广播信息至中继和窃听者，中继接收信源信息的同时将第一时隙所采集能量全部用于发送人工噪声来干扰窃听者对信源的窃听；在所述第三传输时隙中，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，窃听者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。

2.根据权利要求1所述的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，其特征在于：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＝[h_SR1,h_SR2]^T表示信源至中继两根天线的信道参数矩阵，f_S为信源发送的单位方差人工噪声信号，表示中继每根接收天线的噪声方差。

3.根据权利要求2所述的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，其特征在于：在所述第一传输时隙中，中继采用时间分配的能量采集技术采集的能量为其中η表示无线能量采集中的能量转化效率因子，α表示时间分配因子,T表示三个时隙传输的总时长。

4.根据权利要求3所述的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，其特征在于：中继在所述第二传输时隙接收到的信号为：

其中P_R2表示中继在第二时隙的发送功率，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，n_SR表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者节点在所述第二传输时隙接收信号的表达式为其中，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，d₃表示信源到窃听者的距离，d₄表示中继到窃听者的距离，n_SE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，中继和窃听者在所述第二传输时隙的接收信噪比分别为：在所述第三传输时隙中，信宿接收信号表示为其中d₂为中继到信宿之间的距离，n_RD表示方差为σ²的加性白高斯噪声，窃听者在第三时隙接收的信号表达式为其中n_RE表示方差为σ²的加性白高斯噪声，P_R3表示中继在第三时隙的发送功率，且信宿和窃听者在所述第三传输时隙的接受信噪比分别为：

5.根据权利要求4所述的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，其特征在于：在所述第二传输时隙和第三传输时隙中，中继采用固定解码转发协议进行转发，安全传输网络中的合法信道接收信噪比为γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，窃听者在所述第二传输时隙和所述第三传输时隙中都能窃听到有用信息，窃听者采用选择合并的方式合并所述第二传输时隙和第三传输时隙接收到的信号，窃听信道接受信噪比表示为γ_E＝max(γ_SE,γ_RE)。

6.根据权利要求5所述的结合协作干扰与时分能量采集技术的系统安全传输方法，其特征在于：还包括增强系统安全性能的时间分配步骤，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)，系统的遍历安全容量为E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示对x求均值，评价传输系统安全性的安全吞吐量表示为τ＝(1-α)E(C_S)，当时间分配因子取最优值时，系统的安全吞吐量达到最大，系统安全性能达到最好。