CN106714174B - 一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，包括信源、中继及多个信宿节点，所有节点均为单天线；信号的安全传输过程分为三个时隙完成，在第一时隙中，中继节点将接收到信源发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源将有用信息发送给中继，在第三时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿；第一中继所采集到的能量全部被用于第三时隙的信息转发，且中继在三个时隙均为半双工工作模式；中继从多用户中选择一个接收信噪比最大的用时隙户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户。本发明将协作技术与时分能量采集技术相结合，降低了窃听信道的接收信噪比，提升了网络的安全性能。

Description

一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法。

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。

多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。

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。无线能量采集技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用能量采集技术的协同中继网络的研究显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，通过将协作技术与时分能量采集技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信号的安全传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：

在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；

在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；

在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。

中继节点在第一时隙内采集到的能量表示为：

其中，0<α<1，α表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，P_S表示信源节点的发送功率，d_SR表示信源节点到中继节点的距离，ρ表示路径损耗因子，h_SR表示信源节点至中继节点的信道参数。

在第二时隙内，信源节点将有用信息发送给中继节点，中继节点接收到的信号表示为：

其中，X_S表示单位方差信源信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声。

在第三时隙内，信宿节点接收到的中继节点发送的信号表示为：

其中，i为信宿节点的数量，

表示中继节点到信宿节点之间的距离，

表示中继节点与信宿节点间信道系数，

表示单位方差的加性白高斯噪声；

在第三时隙中，信宿节点的接收信噪比表示为：

中继节点从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，包括：

选取接收信噪比最大的节点作为合法用户，合法用户表示为

其中

M表示中继网络中信宿节点的数量，

表示使目标函数

取最大值时的i的取值；

其他的信宿节点作为潜在的窃听用户，中继网络窃听速率由所有窃听用户中接收信噪比最大的窃听用户决定，该窃听用户表示为

其中，

表示除合法用户的其他用户。

中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量表示为：

τ＝(1-α)C_S

其中，C_S表示中继网络瞬时安全速率，C_S＝[C_B-C_ε]⁺，[C_B-C_ε]⁺表示max((C_B-C_ε),0)；C_B表示合法用户的瞬时安全速率，

γ_B合法用户的接收信噪比；C_ε表示信噪比最大的窃听用户的瞬时安全速率，

γ_ε表示该窃听用户的接收信噪比。

通过二分法获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明使用半双工中继采用能量采集技术，通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的；

(2)本发明在基于瞬时信道参数环境下，提出了一种低复杂度线性算法，该算法可以简便高效地得出平均安全吞吐量的最优值；

(3)本发明的中继节点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。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的中继网络的模型图；

图2为本发明安全传输过程的三个时隙的时间分配框图；

图3为本发明的中继网络的处理流程图；

图4为本发明的平均安全吞吐量随信源发送功率P_S增大以及信宿数量增大时的变化示意图；

图5为本发明的基于瞬时信道参数环境下不同平均安全吞吐量进行比较的示意图；

图6为本发明的通过二分法算法得出的循环次数与安全吞吐量的关系示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，参见图1至图3所示，所述半双工中继网络包含三个节点，分别为信源节点S、中继节点R以及M个信宿节点(U₁，U₂…，U_M)，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，通过能量采集为其工作供能。考虑到信源节点与信宿节点间距离较远，没有直达路径，本发明中，信号的整个安全传输过程分为三个时隙完成，在第一时隙中，中继节点将接收到信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点，在第三时隙中，中继节点将接收到的信号广播给信宿节点。具体的，网络中所有信道均采用瑞利衰落信道；中继节点在第一时隙所采集到的能量全部被用于第三时隙的信号转发，且中继节点在三个时隙均为半双工工作模式；此外，由于存在多个用户，为获得多用户分集增益并提升系统的安全性能，中继从多用户中选择一个接收信噪比最大的用时隙户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户。

本实施例中，一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法具体包括如下步骤：

步骤1，在第一时隙中，中继节点将接收到的射频信号通过能量采集技术转化为能量。由于中继采用了基于时间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，α(0<α<1)表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，P_S为信源的发送功率，d_SR为信源到中继的距离，ρ表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数。

步骤2，在第二时隙中，信源节点将有用信息发送给中继节点，且第一时隙中继采集的能量全部用于第三时隙的信息传输。中继节点接收信号的表达式为

其中，X_S为单位方差信源信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声。

步骤3，在第三时隙中，当信号用于能量采集之后，且中继节点处于半双工的工作模式下，中继节点的发送功率表示为

所以中继节点的发送功率为

中继节点将接收到的信号广播给信宿节点。由此可知第三时隙中，信宿节点接收信号表达式为

其中i为信宿节点的数量。本实施例中，中继节点采用的是可变增益解码放大转发协议(AF)，在AF协议下，中继放大因子

所以信宿接收信号表达式化为

其中，

为中继节点到信宿节点之间的距离，

表示中继节点与信宿节点间信道系数，n_R和

均表示单位方差的加性白高斯噪声，由此可得在第三时隙中，信宿节点的接收信噪比为

步骤4，中继节点采用可变增益放大转发协议，中继节点从M个用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，则合法用户表示为

其中

表示为M个用户的集合，M为信宿的数量，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，系统窃听速率由所有窃听节点中接收信噪比最大的窃听用户决定，则该窃听用户表示为

其中，

表示除合法用户的其他用户。

步骤5，基于上述步骤，网络的瞬时安全速率表示为C_S＝[C_B-C_ε]⁺，其中

[a]⁺表示max(a,0)，由此可得基于瞬时安全速率的网络安全吞吐量为τ＝(1-α)C_S。

将各个系数代入网络安全吞吐量的表达式可得：

其中：

γ_SR＝|h_SR|²，表示信源到中继的信道功率增益；γ_RB＝|h_RB|²，表示中继到合法用户的信道功率增益；γ_Rε＝|h_Rε|²，表示中继到窃听用户的信道功率增益；d_RB表示中继到合法用户的距离；d_Rε表示中继到窃听用户的距离；ln为数学中的对数符号。

步骤6，设置α的区间为[0,1]，通过二分法，可以得到基于一次瞬时信道参数环境下，安全吞吐量取得的最优值以及所对应的α值，具体算法流程为：

(1)[初始化]

(2)令Δα＝0.01，左区间α_min＝0，右区间α_max＝1，

循环次数k＝0，阈值∈＝0.001，由步骤5可知，安全吞吐量的表达式为

其数值微分形式为

(3)

α_min＝m

α_max＝m

end

k＝k+1

end

α＝m

(4)输出：α和τ(α)。

具体的，如图4所示是在基于蒙特·卡罗仿真环境下，系统平均安全吞吐量随信源发送功率P_S增大以及信宿数量增大时的变化情况。从图中可以看出本方案的平均安全吞吐量随着信源发送功率P_S的增大而增加，且随着信宿节点的数量增大而减小，从而有效保障了系统的安全传输。仿真环境:时间分配因子α＝0.2，信道衰落系数ρ＝2.7，蒙特·卡罗仿真次数N_Monte＝100000，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离

所有信道平均信道增益均为1。

如图5所示是基于瞬时信道参数环境下二分法算法得出平均安全吞吐量的最优值与α＝0.5得出的平均安全吞吐量进行比较的情况。从图中可以看出随着信源发送功率P_S的增大，二分法算法的曲线始终在α＝0.5曲线的上方，从而可知该算法是有益的。仿真环境:信道衰落系数ρ＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离

所有信道平均信道增益均为1。

如图6所示是基于一次信道实现的环境下，通过二分法算法得出的循环次数与安全吞吐量的情况。从图中可以看出循环次数在第8次时，算法就可以找到安全吞吐量的最优值，这与蒙特卡洛的万或百万次的仿真次数相比，算法是非常高效省时的。仿真环境:信道衰落系数ρ＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离

所有信道平均信道增益均为1。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：

在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；

在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；

在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值；

中继节点在第一时隙内采集到的能量表示为：

其中，0<α<1，α表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，P_S表示信源节点的发送功率，d_SR表示信源节点到中继节点的距离，ρ表示路径损耗因子，h_SR表示信源节点至中继节点的信道参数；

在第二时隙内，信源节点将有用信息发送给中继节点，中继节点接收到的信号表示为：

其中，X_S表示单位方差信源信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

在第三时隙内，信宿节点接收到的中继节点发送的信号表示为：

其中，i为信宿节点的数量，

表示中继节点到信宿节点之间的距离，

表示中继节点与信宿节点间信道系数，

表示单位方差的加性白高斯噪声；

在第三时隙中，信宿节点的接收信噪比表示为：

中继节点从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，包括：

选取接收信噪比最大的节点作为合法用户，合法用户表示为

其中

M表示中继网络中信宿节点的数量，

表示使目标函数

取最大值时的i的取值；

其他的信宿节点作为潜在的窃听用户，中继网络窃听速率由所有窃听用户中接收信噪比最大的窃听用户决定，该窃听用户表示为

其中，

表示除合法用户的其他用户；

中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量表示为：

τ＝(1-α)C_S

其中，C_S表示中继网络瞬时安全速率，

表示

表示合法用户的瞬时安全速率，

合法用户的接收信噪比；C_ε表示信噪比最大的窃听用户的瞬时安全速率，

γ_ε表示该窃听用户的接收信噪比；

通过二分法获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值；具体如下：

令△α＝0.01，左区间α_min＝0，右区间α_max＝1，

阈值∈＝0.001，安全吞吐量τ针对时间分配因子α的数值微分形式为

当

时，判断

是否大于0，如果是，将α_min赋值给m，否则将α_max赋值给m，将m代入公式

进行循环判断；直至当

时，将α赋值给m；

根据所述α获得安全吞吐量的最优值。

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