CN106911420A - 一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种射频能量采集非可信多中继无线通信系统的安全传输方法，模型包括一个信源节点，一个目的节点以及多个射频能量采集非可信中继节点。一个完整的通信过程需要两个传输时隙。第一时隙，在信源节点广播信息的同时，目的节点利用协同干扰方法来防止中继节点窃听信息。第二时隙，中继节点利用信源节点广播的波束赋形因子和采集到的射频能量将信息放大转发到目的节点。本发明在不增加硬件资源的条件下，利用协同干扰和波束赋形方法来保证信息传输的安全性，操作简单，易于实现。

Description

一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法

技术领域

本发明涉及的是射频能量采集非可信多中继的无线移动通信领域，具体的是通过多中继波束赋形和协同干扰来提高系统的安全性。

背景技术

无线中继网络既能扩大通信的覆盖范围、提升通信安全，又能减少无线网络的能量消耗，近年来受到越来越多的关注。事实上，由于无线链路固有的开放性，通信信息的安全形势让人深感忧虑。传统上，通常利用工作在网络上层的加密技术来保证无线网络的安全通信。随着移动支付、金融、医疗等对信息安全敏感的行业已渗透到人们生活的方方面面，基于计算复杂度的加密技术实现的安全性正逐渐受到业界的严重担忧。利用信道随机特性增强信息安全的物理层安全技术应际而生。

将物理层安全技术与协同无线网络相结合，既能利用协同技术扩大网络覆盖、提高频谱效率和无线通信系统容量的同时，又能进一步的提高信息安全的有效性。目前协同无线通信系统的物理层安全技术研究已经硕果累累。人们已经证明利用中继网络丰富的物理层资源可以有效的降低系统的安全中断概率。但是目前的研究大多假设中继节点是作为合法的帮助节点存在的。实际上，在无线网络安全越来越受重视的今天，中继节点的可信任问题也逐渐受到了高度关注。非可信中继节点可能在帮助源节点转发信息的同时也作为窃听节点窃听传输的私密信息。从现有的研究成果可知，在单天线系统中，相对于把非可信中继当作纯粹的窃听节点，非可信中继的参与可以提高无线通信系统的安全速率。而此结果对于信源节点、中继节点和目的节点配置多天线的系统同样适用。

随着无线设备节点数目爆炸性的增长，节点的能耗问题也已成为通信系统的关键问题。可以同时进行信息处理和能量采集的射频信号能量采集技术现已成为解决该问题的有效途径，从而受到了工业界和学术界的广泛的研究。目前，已有的一些学者对基于射频信号的能量采集技术的无线中继网络的吞吐量性能进行了研究。例如，Ali A.Nasir等人在“Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processingin IEEE Transactions on Wireless Communication,vol.12,no.7,July 2013,pp.3622-3636”一文中，针对三节点射频能量采集中继网络，提出了时间切换和功率切换的能量采集协议。但是该文未考虑到无线通信网络的安全性问题。因此，针对射频能量采集非可信多中继系统的安全性问题，如何设计合理有效的安全传输方法将更符合实际的应用，但这样的研究及方法却未有出现过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，考虑到射频能量采集非可信多中继系统的安全性问题，提出了利用多中继波束赋形和协同干扰增强系统安全性的传输方法。

本发明是通过以下传输方法实现的：

一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法，其特征在于：

第一步：信道估计和传输信息反馈。在一个非可信中继网络中，包含信源节点S，目的节点D，以及N个具有射频能量采集功能的中继节点R_i,i∈{1,2,L N}。其中每个节点均配置单天线，并且工作在半双工模式下。信源节点S和目的节点D之间不存在直传链路。中继节点R_i采用放大转发协议转发信号，且是非可信节点，即存在解码窃听其所转发信息的可能性。利用信道估计和反馈方法，信源节点S可以获得全局的信道状态信息。在信息传输之前，信源节点计算波束赋形因子并广播。

第二步：信源节点广播传输信号x，同时目的节点发送协同干扰信号z来干扰中继节点窃听信源节点的私密信息。其中信源节点和目的节点的发送功率分别为P_s和P_d。

第三步：中继节点进行能量采集和信息处理。中继通过射频能量采集协议的功率分配方法将收到的信号分为两部分，其中用作能量采集，用作源节点到目的节点的信息传输，表示信源节点S和中继节点R_i之间的信道系数，表示中继节点R_i和目的节点D之间的信道系数，表示中继节点R_i处的高斯白噪声；0≤ρ≤1表示功率分配因子。

第四步：中继节点利用第一步信源节点广播的波束赋形因子和第三步采集到的能量将接收到的信号放大转发到目的节点D，其中为信道系数的共轭转置，E[·]表示数学期望，0≤η≤1表示能量转换效率。

第五步：目的节点D利用自干扰消除方法对接收到的信号进行处理后译码。

与现有传输方法相比，本发明具有如下优点及显著效果：

本发明的适用范围是射频能量采集非可信多中继的无线协同网络，其中信源节点、中继节点和目的节点均配置单天线，工作在半双工模式下。考虑到非可信中继网络的安全性，通过协同干扰方法来干扰中继节点对信源节点私密信息的窃听，降低窃听信道的信号质量，同时利用波束赋形方法来改善主信道的信号质量，在不增加硬件资源的基础上，进一步提升了系统的安全性和可靠性，操作简单，易于实现。

附图说明

图1是一个射频能量采集非可信多中继系统的模型图，包含信源节点S、目的节点D，以及N个射频能量采集非可信中继节点R_i。

图2是本发明中继节点能量采集和信号处理的示意图，其中(a)表示的是整个通信过程的时间分配原则，(b)表示的是中继处同时进行能量采集和信息处理的过程示意图。

图3是本发明的传输方法、随机中继选择传输方法和无协同干扰传输方法的安全中断概率随着发送信噪比变化的示意图。

图4是本发明的传输方法、随机中继选择传输方法和无协同干扰传输方法的安全中断概率随着中继个数变化的示意图。

具体实施方式

如图1所示的射频能量采集非可信多中继通信系统中，包含信源节点S、目的节点D，以及N个射频能量采集非可信中继节点R_i，i∈{1,2,L N}。其中每个节点均配置单天线，并且工作在半双工模式下。信源节点和目的节点之间不存在直传链路，需要依靠非可信中继节点来建立通信过程。非可信中继节点没有固定的电源供电，需要通过射频能量采集方法来获取能量。其中每个接收节点都存在均值为零，方差为N₀的高斯白噪声。本发明的传输方法实现过程如下：

第一步：信道估计和传输信息反馈。利用信道估计和反馈方法，信源节点S可以获得全局的信道状态信息。在信息传输之前，信源节点计算波束赋形因子并广播。

第二步：信源节点广播传输信号x，同时目的节点发送协同干扰信号z来干扰中继节点窃听信源节点的私密信息。其中信源节点和目的节点的发送功率分别为P_s和P_d。

第三步：中继节点进行能量采集和信息处理。中继通过如图2所示的射频能量采集协议的功率分配方法将收到的信号分为两部分。其中用作能量采集，用作源节点到目的节点的信息传输，0≤ρ≤1。

第四步：中继节点利用第一步信源节点广播的波束赋形因子和第三步采集到的能量将接收到的信号放大转发到目的节点，其中0≤η≤1表示能量转换效率。

第五步：目的节点D利用自干扰消除方法对接收到的信号进行处理后译码，自干扰消除方法是将接收到的信号与本地的自干扰信号z异或之后消除掉协同干扰信号。

本发明的传输方法、随机中继选择传输方法和无协同干扰传输方法的安全中断概率对比仿真如图3和图4所示。其中能量转换效率η＝0.8，功率分配因子ρ＝0.5，目标安全速率R＝0.5bits/s/Hz，发送功率P_s＝P_d＝P,发送信噪比由图3可知，本发明传输方法在不同的发送信噪比的条件下的安全中断概率均要优于随机中继选择和无协同干扰传输方法。由图4可知，在不同的中继数目的情况下，本发明传输方法的安全中断概率均小于随机中继选择和无协同干扰传输方法。

Claims (3)

1.一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法，其特征在于，该系统包含一个信源节点S，一个目的节点D，以及N个具有射频能量采集功能的中继节点R_i,i∈{1,2,LN}，信源节点S、目的节点D、以及中继节点R_i均配置单天线，工作在半双工模式下；中继节点R_i采用放大转发协议转发信号，且是非可信节点，即R_i会解码并窃听其所转发的信号；

利用协同干扰方法和波束赋形方法来保证信息的安全传输，具体步骤如下：

步骤1：信道估计和传输信息反馈：利用信道估计和反馈方法，信源节点S获得全局的信道状态信息；在信息传输之前，信源节点S计算波束赋形因子并广播；

步骤2：信源节点S广播传输信号x，同时目的节点D发送协同干扰信号z来干扰中继节点R_i窃听信源节点S的私密信息，其中信源节点S和目的节点D的发送功率分别为P_s和P_d；

步骤3：中继节点R_i进行能量采集和信息处理：中继通过射频能量采集协议的功率分配方法将收到的信号进行能量采集和信息传输，其中表示信源节点S和中继节点R_i之间的信道系数，表示中继节点R_i和目的节点D之间的信道系数，表示中继节点R_i处的高斯白噪声；接收到的信号的倍用作能量采集，剩余的倍用作源节点到目的节点的信息传输，ρ为功率分配因子且0≤ρ≤1；

步骤4：中继节点R_i利用步骤1中信源节点广播的波束赋形因子和步骤3采集到的能量将接收到的信号放大转发到目的节点D，其中为信道系数的共轭转置，E[·]表示数学期望，0≤η≤1表示能量转换效率；

步骤5：目的节点D利用自干扰消除方法对接收到的信号进行处理后译码。

2.根据权利要求书1所述的一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法，其特征在于，步骤4中中继节点R_i的波束赋形因子是由信源节点S根据信道状态信息计算得到之后广播到中继节点R_i，中继节点R_i的发送功率是由步骤3能量采集得到的。

3.根据权利要求书1所述的一种射频能量采集非可信多中继系统的安全传输方法，其特征在于，步骤5中的自干扰消除方法是将接收到的信号与本地的自干扰信号z异或之后消除掉协同干扰信号。