CN107231683B - 基于物理层安全的中继系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物理层安全的中继系统功率分配方法，主要解决现有技术没有考虑中继节点的可再生和功率分配方法是次优而不能满足绿色通信需求的问题。其实现的步骤是：1.分别计算中继节点的信道容量，目的节点的信道容量，窃听节点接收信源信息的信道容量，窃听节点的信道容量；2.根据中继节点的信道容量，目的节点的信道容量，窃听节点接收信源信息的信道容量和窃听节点的信道容量，计算系统中断概率；3.计算系统中断概率在中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的分配比值约束条件下的最小值，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值。本发明能有效降低能耗，节约资源，可用于无线中继传感网络系统。

Description

基于物理层安全的中继系统功率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种中继系统数据传输功率的分配方法，可应用于无线中继传感器网络系统。

背景技术

随着无线技术的飞速发展和应用领域不断扩张，无线中继传感器网络对能源的消耗也在显著增长。由于各种无线设备的大量应用，将带来更多的能源消耗，所以无线通信中节能减排的责任重大。传统的无线设备均是由电池进行供电。当这些电池出现问题或电量完全耗尽以后，想要完成对放置在空间中的无线设备进行电池的更换是非常困难的，不仅需要耗费大量的人力、物力、财力，而且对于资源也是一种极度的浪费。近年来，人们开始考虑可再生能源为无线通信设备供能，比如无线信息与能量协作传输SWIPT技术。该技术正好契合了可再生能源应用于无线传感器网络的动机，能够有效的提高系统的生存时间，具备绿色环保、部署灵活和维护便利等在绿色通信系统应具有的诸多优点，并且避免了传统无线设备需要更换电池或者电力供应的缺点。因此，无线信息与能量协作传输SWIPT技术在无线中继传感器网络中的应用受到了国内外学者的广泛关注。

现有的大部分关于无线中继传感器网络系统中的功率分配问题的解决方法都是通过最优化系统功率分配方法来降低系统的总能耗，即就是上述的传统的无线设备。对于近年来人们提出的无线信息与能量协作传输SWIPT技术的研究大部分也都是应用在非再生中继无线通信系统中，即不考虑中继节点的重复利用。L.Q.Zhong，Z.Qi,and Q.J.Yin等人在其发表的论文“Secure Relay Beamforming for Simultaneous Wireless Informationand Power Transfer in Nonregenerative Relay Networks”(IEEE Transactions onVehicle Technology,vol.63,no.5,pp.2462-2467,Jun.2014.)中提出了一种基于SWIPT技术的安全式非再生中继网络的功率分配方法，该方法中，在中继节点传输功率和吸收能量受限的条件下，为了达到更高的安全率，实现较低的系统复杂度，提出了非再生中继无线通信系统中传输功率的分配方式。这种方法由于没有考虑中继节点的可再生，且得到的功率分配方法是次优的，因而不能更好地满足绿色通信的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于物理层安全的中继系统功率分配方法，以减小资源浪费。

实现本发明的技术思路是：在点到点的无线中继传感器网络中，将信源发送的数据信息通过无线信道发送给中继节点，中继节点通过功率分割机制将接收到的部分信源信息转换成吸收能量，以对剩余源发送信息进行放大并通过无线信道发送到目的节点。考虑到无线信息传输的安全性问题，窃听节点通过信源发送信息和中继节点的接收信息去窃听信息。在保证系统中断概率最小的条件下，实现中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配。具体实现步骤包括如下：

(1)在点到点的无线中继通信系统模型中，分别计算中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr、目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d、窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se和窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re；

(2)根据中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr，计算中继节点的信道容量C_sr：

C_sr＝log₂(1+ρ_sr)，

(3)根据目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d，计算目的节点的信道容量C_d：

C_d＝log₂(1+ρ_d)，

(4)根据窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se，计算窃听节点接收的信源信息的信道容量C_se：

C_se＝log₂(1+ρ_se)，

(5)根据窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re，计算窃听节点的信道容量C_e：

C_e＝log₂(1+ρ_se+ρ_re)，

(6)根据中继节点的信道容量C_sr，目的节点的信道容量C_d，窃听节点接收的信源信息的信道容量C_se和窃听节点的信道容量C_e，计算系统中断概率P_out：

P_out＝P_r{(C_d-C_e)＜R_s)|(C_sr-C_se≥R_s)}×P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}+P_r(C_sr-C_se＜R_s)，

其中，P_r{·}表示概率函数，R_s为中继节点的安全信道容量；

(7)将中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值定义为γ，并将该比值γ作为系统中断概率P_out的约束条件，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′：

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明在中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值约束条件下，通过最小化系统中断概率，解决了系统数据传输功率的最优分配问题，相比于传统的基于SWIPT技术的中继系统中提出的次优功率分配方案，有效降低了系统能耗。

2.本发明由于考虑到了可再生中继系统，相比于传统的不可再生中继系统，本发明能够有效的提高系统生存时间，节约资源，更好地满足绿色通信的需求。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中计算中继节点信道容量C_sr的子流程图；

图3是本发明中计算目的节点信道容量C_d的子流程图；

图4是本发明中计算窃听节点接收信源信息信道容量C_se的子流程图；

图5是本发明中计算窃听节点信道容量C_e的子流程图；

图6是本发明中计算最优分配比值γ′的子流程图；

图7是本发明中的系统信道条件系数ε和系统中断概率P_out之间的关系仿真图；

图8是本发明中信源节点到中继节点的距离d_sr与系统中断概率P_out之间的关系仿真图；

图9是本发明中信源节点到中继节点的距离d_sr与分配比值γ之间的关系仿真图；

图10是本发明中信源节点到中继节点的距离d_sr与系统中断概率P_out之间的关系仿真图；

图11是本发明中信源节点到中继节点的距离d_sr与分配比值γ之间的关系仿真图；

图12是本发明中信源节点到窃听节点的距离d_se与信源节点到中继节点的距离d_sr之间的关系仿真图；

图13是本发明中信源节点到窃听节点的距离d_se与系统中断概率P_out之间的关系仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和效果作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，在点到点的无线中继通信系统模型中，计算中继节点的信道容量C_sr。

所述点到点的无线中继通信系统模型，是由一个信源节点、一个中继节点、一个目的节点和一个窃听节点组成。信源发送的数据信息通过无线信道发送给中继节点，中继节点采用功率分割机制将中继节点的检测信息分为能量吸收和信息转发两部分，窃听节点通过信源发送信息和中继节点接收信息去窃听信息。在保证系统中断概率最小的条件下，实现中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

(1a)计算中继节点信源信息的检测值y_sr：

其中，d_sr为信源节点到中继节点的距离，m为路径损耗指数，h_sr为信源节点到中继节点的无线信道系数，h_sr服从均值为0，方差为

的正态分布，P_s为信源的数据传输功率，x为信源信息，z_sr为信源节点到中继节点的信道噪声，z_sr服从均值为0，方差为

的正态分布；

(1b)根据步骤(1a)中中继节点信源信息的检测值y_sr，计算中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr：

其中，α为中继节点能量吸收的效率，0＜α＜1，γ为中继节点信源信息检测值进行能量吸收的分配比值，0＜γ＜1；

(1c)根据步骤(1b)中中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr，计算中继节点的信道容量C_sr：

C_sr＝log₂(1+ρ_sr)。

步骤2，在点到点的无线中继通信系统模型中，计算目的节点的信道容量C_d。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(2a)计算中继节点的吸收能量E_h：

其中，d_sr为信源节点到中继节点的距离，m为路径损耗指数，α为中继节点能量吸收的效率，0＜α＜1，γ为中继节点信源信息检测值进行能量吸收的分配比值，0＜γ＜1，P_s为信源的数据传输功率，

为信源节点到中继节点的无线信道系数的方差，x为信源信息，T为信源信息从信源节点传输到中继节点所需的时间；

(2b)根据步骤(2a)中中继节点的吸收能量E_h，计算中继节点信源信息检测值的传输增益A_r：

(2c)根据步骤(2b)中中继节点信源信息检测值的传输增益A_r，计算目的节点信源信息的检测值y_d：

其中，d_rd为中继节点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，A_r为中继节点信源信息检测值的传输增益，h_rd为中继节点到目的节点的无线信道系数，h_rd服从均值为0，方差为

的正态分布，z_rd为中继节点到目的节点的信道噪声，z_rd服从均值为0，方差为

的正态分布；

(2d)根据步骤(2c)中目的节点信源信息的检测值y_d，计算目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d：

(2e)根据步骤(2d)中目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d，计算目的节点的信道容量C_d：

C_d＝log₂(1+ρ_d)。

步骤3：在点到点的无线中继通信系统模型中，计算窃听节点接收信源信息的信道容量C_se。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

(3a)计算窃听节点接收的信源信息y_se：

其中，d_se为信源节点到窃听节点的距离，m为路径损耗指数，h_se为信源节点到窃听节点的无线信道系数，h_se服从均值为0，方差为

的正态分布，P_s为信源的数据传输功率，x为信源信息，z_se为信源节点到中继节点的信道噪声，z_se服从均值为0，方差为

的正态分布；

(3b)根据步骤(3a)中窃听节点接收的信源信息y_se，计算窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se：

(3c)根据步骤(3b)中窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se，计算窃听节点接收信源信息的信道容量C_se：

C_se＝log₂(1+ρ_se)。

步骤4：在点到点的无线中继通信系统模型中，计算窃听节点的信道容量C_e。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

(4a)计算窃听节点接收的中继信息y_re：

其中，d_re为中继节点到窃听节点的距离，m为路径损耗指数，A_r为中继节点信源信息检测值的传输增益，h_re为中继节点到窃听节点的无线信道系数，h_re服从均值为0，方差为

正态分布，x为信源信息，z_re为中继节点到窃听节点的信道噪声，z_re服从均值为0，方差为

的正态分布；

(4b)根据步骤(4a)中窃听节点接收的中继信息y_re，计算窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re：

(4c)根据步骤(4b)中窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re，计算窃听节点的信道容量C_e：

C_e＝log₂(1+ρ_se+ρ_re)，

其中，ρ_se为窃听节点接收的信源信息的瞬时信噪比。

步骤5：将中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值γ作为系统中断概率P_out的约束条件，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′。

参照图6，本步骤的具体实现如下：

(5a)计算系统中断概率P_out：

P_out＝P_r{(C_d-C_e)＜R_s)|(C_sr-C_se≥R_s)}×P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}+P_r(C_sr-C_se＜R_s)，

其中，P_r{·}表示概率函数，C_d为目的节点的信道容量，C_e为窃听节点的信道容量，R_s为中继节点的安全信道容量，C_sr为中继节点的信道容量，C_se为窃听节点接收的信源信息的信道容量；

(5b)采用概率论中的全概率公式，将步骤(5a)中系统中断概率P_out整理成如下表达式：

P_out＝1-P_r{(C_d-C_e)≥R_s}P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}，

(5c)将中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值γ作为系统中断概率P_out的约束条件，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′：

(5d)将步骤(5c)中描述的最小化问题，等同为第一中间变量B₁和第二中间变量B₂的乘积的最大化问题：

其中，B₁＝P_r{(C_d-C_e)≥R_s}，B₂＝P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}；

(5e)将步骤(5d)中中继节点传感器数据的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值γ的函数求导，求得的驻点就是中继节点传感器数据的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′。

本发明的效果可以通过下面的仿真实例说明：

1.仿真条件：

使用点到点的无线中继通信系统，设系统的信源信息为x，令|x|²＝1，信源的数据传输功率为P_s，令P_s＝1dBW，信源节点到中继节点无线信道系数的方差为

令

中继节点到目的节点无线信道系数的方差为

令

路径损耗指数为m，令m＝3，信源节点到中继节点信道噪声的方差为

中继节点到目的节点信道噪声的方差为

令

信源节点到窃听节点信道噪声的方差为

中继节点到窃听节点信道噪声的方差为

令

系统信道条件系数为ξ，令

平均信噪比为Ω，令

窃听节点和信源节点的夹角为θ，令θ∈[0,π]。

2.仿真平台：MATLAB；

3.仿真内容与结果：

仿真1，用本发明方法仿真系统信道条件系数ε与系统中断概率P_out之间的关系，结果如图7所示。图7中曲线case1是在信源节点到窃听节点信道噪声的方差

的条件下得到的，曲线case2是在信源节点到窃听节点信道噪声的方差

等于中继节点到窃听节点信道噪声的方差

的条件下得到的。

从图7中可以看出：系统中断概率P_out随着系统信道条件系数ε的增大而减小，也就是说，好的信道的性能会带来系统性能的增益。在系统信道条件系数ε取值相同的情况下，曲线case1的系统中断概率P_out明显大于曲线case2的系统中断概率P_out，这主要是因为曲线case1表示窃听信道的信道噪声大于中继信道的信道噪声，可以降低信息被窃听的风险。

仿真2，用本发明方法仿真信源节点到中继节点的距离d_sr与系统中断概率P_out之间的关系，结果如图8所示。

仿真3，用本发明方法仿真信源节点到中继节点的距离d_sr与分配比值γ之间的关系，结果如图9所示。

从图8和图9中可以看出：随着信源节点到中继节点的距离d_sr的增大，系统中断概率P_out也逐渐增大，而中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的分配比值γ却逐渐减小。这说明中继节点距离信源节点越远，系统需要增大信源信息的发送功率，同时中继节点将吸收更少的能量，不足以支撑中继节点进行信息的二次转发，导致系统的中断概率P_out变大，无法保证安全通信的质量。当窃听节点和信源节点的夹角θ＝π时的曲线几乎与

时的曲线重合，这说明当窃听节点位于信源节点到目的节点之间连线的反方向时，窃听节点和信源节点的夹角θ对系统性能的影响非常小。

仿真4，用本发明方法仿真信源节点到中继节点的距离d_sr与系统中断概率P_out之间的关系，结果如图10所示。

仿真5，用本发明方法仿真信源节点到中继节点的距离d_sr与分配比值γ之间的关系，结果如图11所示。

从图10和图11中可以看出：随着信源节点到中继节点的距离d_sr的增大，系统中断概率P_out也在增大，而中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的分配比值γ逐渐减小。当信源节点到窃听节点的距离d_se＞1时，意味着窃听节点靠近目的节点，也就是说可以忽略窃听节点对信源节点的影响，只考虑d_se≤1时的情况。当窃听节点和信源节点的夹角θ固定时，系统中断概率P_out随着信源节点到中继节点的距离d_sr的增大而增大。

仿真6，用本发明方法仿真信源节点到窃听节点的距离d_se与信源节点到中继节点的距离d_sr之间的关系，结果如图12所示。

仿真7，用本发明方法仿真信源节点到窃听节点的距离d_se与系统中断概率P_out之间的关系，结果如图13所示。

从图12和图13中可以看出：当窃听节点靠近信源节点时，即d_se＜1，为了确保系统物理层安全问题，中继节点也应当靠近信源节点。当窃听节点远离信源节点时，为了减小信息的泄露，中继节点也应当靠近信源节点。随着信源节点到窃听节点的距离d_se的增大，系统的中断概率P_out会变得越来越小。同时，当信源节点到窃听节点的距离d_se从0.4增长到0.6时，信源节点到中继节点的距离d_sr是鲁棒的，也就是说，当已知窃听节点的信息时，能量吸收节点在某些时候会成为窃听节点，系统可以采取鲁棒的中继节点去传输信息。

综上，本发明所提出的基于物理层安全的中继系统功率分配方法，在保证系统中断概率最小的情况下，能够实现中继节点信源信息检测值进行能量吸收的最优分配，同时考虑到再生中继节点，是一种解决基于物理层安全的中继系统中数据传输功率分配问题的有效方法。

Claims (6)

1.一种基于物理层安全的中继系统功率分配方法，包括：

(1)在点到点的无线中继通信系统模型中，分别计算中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr、目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d、窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se和窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re；

(2)根据中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr，计算中继节点的信道容量C_sr：

C_sr＝log₂(1+ρ_sr)，

(3)根据目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d，计算目的节点的信道容量C_d：

C_d＝log₂(1+ρ_d)，

(4)根据窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se，计算窃听节点接收的信源信息的信道容量C_se：

C_se＝log₂(1+ρ_se)，

(5)根据窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re，计算窃听节点的信道容量C_e：

C_e＝log₂(1+ρ_se+ρ_re)，

(6)根据中继节点的信道容量C_sr，目的节点的信道容量C_d，窃听节点接收的信源信息的信道容量C_se和窃听节点的信道容量C_e，计算系统中断概率P_out：

P_out＝P_r{(C_d-C_e)＜R_s)|(C_sr-C_se≥R_s)}×P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}+P_r(C_sr-C_se＜R_s)，

其中，P_r{·}表示概率函数，R_s为中继节点的安全信道容量；

(7)将中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值定义为γ，并将该比值γ作为系统中断概率P_out的约束条件，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′：

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中计算中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr，按如下步骤进行：

(1a)计算中继节点信源信息的检测值y_sr：

其中，d_sr为信源节点到中继节点的距离，m为路径损耗指数，h_sr为信源节点到中继节点的无线信道系数，h_sr服从均值为0，方差为

的正态分布，P_s为信源的数据传输功率，x为信源信息，z_sr为信源节点到中继节点的信道噪声，z_sr服从均值为0，方差为

的正态分布；

(1b)根据中继节点信源信息的检测值y_sr，计算中继节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_sr：

其中，α为中继节点能量吸收的效率，0＜α＜1，γ为中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值，0＜γ＜1。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中计算目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d，按如下步骤进行：

(1c)计算中继节点的吸收能量E_h：

其中，d_sr为信源节点到中继节点的距离，m为路径损耗指数，α为中继节点能量吸收的效率，0＜α＜1，γ为中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值，0＜γ＜1，P_s为信源的数据传输功率，

为信源节点到中继节点的无线信道系数的方差，x为信源信息，T为信源信息从信源节点传输到中继节点所需的时间；

(1d)根据中继节点的吸收能量E_h，计算中继节点信源信息检测值的传输增益A_r：

其中，E_h为中继节点的吸收能量；

(1e)根据中继节点信源信息检测值的传输增益A_r，计算目的节点信源信息的检测值y_d：

其中，d_rd为中继节点到目的节点的距离，m为路径损耗指数，A_r为中继节点信源信息检测值的传输增益，h_rd为中继节点到目的节点的无线信道系数，h_rd服从均值为0，方差为

的正态分布，z_rd为中继节点到目的节点的信道噪声，z_rd服从均值为0，方差为

的正态分布；

(1f)根据目的节点信源信息的检测值y_d，计算目的节点信源信息检测值的瞬时信噪比ρ_d：

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中计算窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se，按如下步骤进行：

(1g)计算窃听节点接收的信源信息y_se：

其中，d_se为信源节点到窃听节点的距离，m为路径损耗指数，h_se为信源节点到窃听节点的无线信道系数，h_se服从均值为0，方差为

的正态分布，P_s为信源的数据传输功率，x为信源信息，z_se为信源节点到中继节点的信道噪声，z_se服从均值为0，方差为

的正态分布；

(1h)根据窃听节点接收的信源信息y_se，计算窃听节点接收信源信息的瞬时信噪比ρ_se：

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中计算窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re，按如下步骤进行：

(1i)计算窃听节点接收的中继信息y_re：

其中，d_re为中继节点到窃听节点的距离，m为路径损耗指数，A_r为中继节点信源信息检测值的传输增益，h_re为中继节点到窃听节点的无线信道系数，h_re服从均值为0，方差为

的正态分布，x为信源信息，z_re为中继节点到窃听节点的信道噪声，z_re服从均值为0，方差为

的正态分布；

(1j)根据窃听节点接收的中继信息y_re，计算窃听节点接收中继信息的瞬时信噪比ρ_re：

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(7)中的最优分配比值γ′，按如下步骤求解：

(7a)采用概率论中的全概率公式，将系统中断概率P_out的表达式整理成如下表达式：

P_out＝1-P_r{(C_d-C_e)≥R_s}P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}，

其中，P_r{·}表示概率函数，C_d为目的节点的信道容量，C_e为窃听节点的信道容量，R_s为中继节点的安全信道容量，C_sr为中继节点的信道容量，C_se为窃听节点接收的信源信息的信道容量；

(7b)将计算中断概率P_out在中继节点信源信息的检测值分配给能量吸收和信息解码的比值γ约束条件下的最小化问题，等同为第一中间变量B₁和第二中间变量B₂的乘积的最大化问题，得到中继节点信源信息的检测值进行能量吸收的最优分配比值γ′：

其中，B₁＝P_r{(C_d-C_e)≥R_s}，B₂＝P_r{(C_sr-C_se≥R_s)}。

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