CN107404475B - 一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，所述基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法包括一个主网络和一个认知网络；所述主网络至少包含一个主网络源节点、目的节点和窃听节点；所述认知网络至少包含一个认知接入节点和K个认知用户，其中认知用户从主网络源节点广播的信号中收集射频能量，并通过协作主网络信息的保密传输获得频谱资源。本发明采用基于频谱和能量资源的激励方式，充分调动了认知网络协作主网络实现安全传输的积极性，同时使得主网络无需专门部署干扰节点，提高了系统硬件设施和频谱资源的利用率，降低网络的部署成本。

Description

一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法。

背景技术

一直以来，人们对信息安全的要求始终贯穿在通信技术的发展历程中。尤其对于无线通信网络，由于无线信道的广播特性，为数据的安全传输带来了更大的挑战。传统的保密措施采用高层的对称及非对称加密技术防止信息被非法窃听解码。然而，由于无线通信网络的动态特性，对称加密系统中秘钥的不断产生和分发为系统引入较高的额外开销，非对称加密系统又对网络节点的运算能力带来了较高的要求。另一方面，随着计算机处理能力的不断加强，传统加密方式可能遭到具有高运算能力窃听者的暴力破解从而窃取保密信息，更加凸显了传统加密方式的弊端。作为一种独立于上层加密措施的保密技术，物理层安全技术利用无线信道的物理特性及信息理论实现信息的保密传输受到广泛关注和研究。其中，人工干扰是物理层安全实现的重要手段之一，其通过在保密信息传输过程中由网络中的协作干扰者发送人工噪声，大幅降低窃听者的接收质量，使合法链路优于窃听链路，从而实现保密信息的安全传输。2016年Chao Wang等人在“IEEE Transactions on VehicularTechnology”(《国际电气电子工程师协会车辆技术汇刊》)上发表的“OpportunisticJamming for Enhancing Security:Stochastic Geometry Modeling and Analysis”(机会式干扰的方式加强通信安全性：随机几何建模以及分析)采用二维的齐次泊松点分布建模网络中存在的多个窃听者和协作干扰者，提出了一种机会式干扰者选择方案，有效提高了系统的保密容量。然而，协作干扰者广播人工干扰的方案虽然能够加强信息传输的安全性，但是也给网络引入了额外的能量开销。另一方面，射频能量收集技术作为实现未来绿色通信的关键技术可以有效解决上述问题。其核心内容是，网络中的节点通过配备合适的硬件电路，能够对环境中射频信号的能量进行收集，进而转化为电能存储。利用该项技术，2017年Mengyu Liu等人在“IEEE Communication Letters”(《国际电气电子工程师协会通信快报》)上公开的“Power Allocation for Secure SWIPT Systems with Wireless-Powered Cooperative Jamming”(具有无线供能的协作干扰者的物理层安全信能同传系统中的功率分配研究)中提出了一种无线供能的干扰者辅助安全传输策略，其中干扰者从信息源节点发射的射频信号中收集能量，并以此作为自身发射人工干扰的能量来源。该技术方案存在的不足是：首先，在该研究中干扰者能够利用两根完美隔离的天线，实现收集射频能量的同时利用收集到的能量发射干扰信号，这一假设无法用现有的硬件实现。其次，该研究假设干扰者收集到的能量不可在电池中存储，造成系统性能的降级。此外，在上述研究中，网络中的干扰者均为专门架设的网络节点，大幅增加了网络的部署和运营成本。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的加密方式对网络节点的运算能力带来更高的要求，同时又可能受到窃听者的暴力破解；现有物理层安全传输方案需要网络专门架设干扰者，增加了网络部署成本，引入了额外的能量开销。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法。

本发明是这样实现的，一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，所述基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法包括一个主网络和一个认知网络；所述主网络至少包含一个主网络源节点、目的节点和窃听节点；所述认知网络至少包含一个认知接入节点和K个认知用户，其中认知用户从主网络源节点广播的信号中收集射频能量，并通过协作主网络信息的保密传输获得频谱资源。

进一步，所述基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法具体包括以下步骤：

步骤一，所有认知用户根据自身能量状态Q_k(t)及协作效益因子

判断是否参与协作；

步骤二，所有参与协作的认知用户分布式选择出最优协作认知用户

步骤三，最优协作认知用户

向主网络源节点S反馈协作时间因子α^*(t)，主网络源节点S在时隙的前α^*(t)T时间内，向主网络目的节点D发送信息信号，与此同时，最优的协作认知用户

广播干扰信号，其他所有认知用户收集主网络广播信号的射频能量，T为一个时隙长度；

步骤四，最优的协作认知用户获得后(1-α^*(t))T时隙时间的频谱资源，并在该时间内向认知接入节点AP发送信息信号。

进一步，所述步骤一的具体包括：

第一步，所有认知用户U_k,k＝1,2,...,K，计算自身协作效益因子

其中h_k,d(t)和h_k,e(t)分别表示认知用户U_k与主网络目的节点D和认知用户U_k与窃听节点E之间的瞬时信道增益；

第二步，所有认知用户U_k,k＝1,2,...,K检测自身电池的能量状态Q_k(t)；

第三步，所有认知用户U_k,k＝1,2,...,K根据自身电池的能量状态Q_k(t)和协作效益因子

判决是否参与协作：对于一个认知用户U_k，若其能量状态

且其协作效益因子

则参与当前时隙的协作，其中

为能量判决门限；否则，该认知用户不参与当前时隙的协作，准备从主网络源节点S广播的射频信号中收集能量；所有参与协作的认知用户组成新的认知用户集合{U₁,...,U_j,...,U_J}，其中J为参与协作认知用户总数。

进一步，所述第二步的认知用户U_k的在第t个时隙的电池能量状态Q_k(t)的更新表达式如下：

其中

为认知用户U_k电池的最大存储容量，I_k(t-1)为指示函数，定义如下：

是认知用户U_k在第t-1体时隙中能够收集到的能量，P_k表示认知用户U_k的额定发射功率。

进一步，认知用户U_k在第t-1体时隙中能够收集到的能量

计算如下：

其中，η为射频能量收集过程中射频能量向电能的转化效率，P_s代表主网络源节点S的额定发射功率，h_s,k(t-1)表示第t-1时隙主网络源节点S到认知用户U_k的瞬时信道增益，α^*(t-1)表示第t-1时隙的最优协作时间因子。

进一步，第三步中认知用户U_k的能量判决门限

的取值由下式决定：

进一步，所述步骤二具体包括：

1)所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J,计算其协作时间因子α_j(t)：

其中，其中h_s,d(t)和h_s,e(t)分别表示主网络源节点S与主网络目的节点D和主网络源节点S与窃听节点E之间的瞬时信道增益，

和

分别为主网络目的节点和窃听节点处的高斯白噪声方差，

为主网络保密安全容量的目标值，[·]⁺表示取正值运算符，即[x]⁺＝max{0,x}；

2)认知接入节点AP向所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J,广播最优协作认知用户选择开始的信令；

3)各个参与协作的认知用户收到最优协作认知用户选择开始的信令后将本地时钟的初始时间τ_k(t)设置为：

并开始向0进行倒计时，其中，λ为选择过程的最大时间限制，|g_j(t)|²为认知用户U_j与认知接入节点AP之间的瞬时信道增益，β_j(t)为权重因子；

4)最先倒计时至0的认知用户作为最优协作认知用户

向其他用户广播一比特信令信息停止最优选择过程，其协作时间因子作为当前时隙最优时间协作时间因子α^*(t)。其中，最优协作认知用户

的编号j*可以表示为：

5)其他进行倒计时的认知用户收到

广播的信令信息后停止倒计时，准备收集射频能量。

进一步，所述权重因子β_j(t)计算如下：

β_j(t)＝1-α_j(t)。

本发明的优点及积极效果为：主网络将部分频谱资源租赁给一个最优的认知用户，激励其作为协作干扰者发射人工噪声信号，实现主网络保密信息的安全传输，同时其他没有被选择的认知用户虽然没有获得频谱资源，但是能够从主网络广播信号中收集射频能量为电池充能；传输方法一方面通过频谱和能量激励的方式，激励认知用户作为干扰者协作主网络实现保密信息的安全传输，避免了主网络因专门架设干扰者而引入额外的部署成本；另一方面，在本传输方法下，所有认知用户能够根据自身能量状态在协作获得频谱和不协作获得能量中选择合适的策略，充分调动了认知用户协作的积极性；最后，本传输方法在提高主网络信息传输安全性的同时最大化认知网络的吞吐量，更加有效的利用了网络的频谱资源，实现主网络和认知网络的双赢。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法流程图。

图2是本发明实施例提供的使用的能量收集认知网络系统模型图。

图3是本发明实施例提供的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的时隙分配模型图。

图5是本发明实施例提供的仿真实验中本发明与无认知网络协作场景在主网络保密中断性能方面的对比图。

图6是本发明实施例提供的仿真实验中本发明中随主网络源节点发射功率变化的认知网络遍历容量效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过主网络向认知网络提供频谱及能量资源的方式激励认知用户通过发送人工干扰信息的方式实现主网络的保密通信，并通过认知用户根据自身能量状态和协作因子自适应选择协作干扰和能量收集行为，有效提升认知网络的吞吐量。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法包括以下步骤：

S101：所有认知用户根据自身能量状态及协作效益因子判断是否参与协作；

S102：所有参与协作的认知用户分布式选择出最优协作认知用户；

S103：最优协作认知用户向主网络源节点反馈协作时间因子，主网络源节点在时隙的时间内，向主网络目的节点发送信息信号，与此同时，最优的协作认知用户广播干扰信号，其他所有认知用户收集射频能量；

S104：在时隙时间内，最优协作认知用户向认知接入节点发送信息信号。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图2所示，本发明使用的认知用户协作网络，包括一个主网络源节点、一个主网络目的节点和窃听节点，一个认知接入节点和K个认知用户，其中一个最优的认知用户在主网络源节点发送保密信息时广播干扰信号，协助主网络实现保密信息的安全传输，其他认知用户收集射频能量补充电池能量。作为回报，最优的认知用户在主网络当前时隙传输完毕后获得频谱资源并向认知接入节点发送信息。主网络源节点和认知用户均采用额定的功率进行信息传输。

如图3所示，本发明的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法的实现包括以下步骤：

步骤1：所有认知用户U_k,k＝1,2,...,K检测自身能量状态Q_k(t)，计算协作效益因子

并判断是否参与协作，判断过程如下：

1.1)所有认知用户U_k,k＝1,2,...,K，计算自身协作效益因子

1.2)对于一个认知用户U_k，若其能量状态

且其协作效益因子

则参与当前时隙的协作，否则不参与协作，其中，

为能量判决门限，由下式决定：

其中，P_k为认知用户U_k的额定发射功率。该能量判决门限表示了认知用户在整个时隙时间T内发送干扰信号和自身信息信号所需要的总能量。

步骤2：所有参与协作的认知用户分布式选择出最优协作认知用户

最优协作认知用户选择过程如下：

2.1)所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J,计算其协作时间因子α_j(t)：

其中，其中h_s,d(t)和h_s,e(t)分别表示主网络源节点S与主网络目的节点D和主网络源节点S与窃听节点E之间的瞬时信道增益，

和

分别为主网络目的节点和窃听节点处的高斯白噪声方差，

为主网络保密安全容量的目标值，[·]⁺表示取正值运算符，即[x]⁺＝max{0,x}；

2.2)认知接入节点AP向所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J,广播最优协作认知用户选择开始的信令；

2.3)各个参与协作的认知用户收到最优协作认知用户选择开始的信令后将本地时钟的初始时间τ_k(t)设置为：

并开始向0进行倒计时，其中，λ为选择过程的最大时间限制，|g_j(t)|²为认知用户U_j与认知接入节点AP之间的瞬时信道增益，β_j(t)＝1-α_j(t)为权重因子；

2.4)最先倒计时至0的认知用户作为最优协作认知用户

向其他用户广播一比特信令信息停止最优选择过程，其协作时间因子作为当前时隙最优时间协作时间因子α^*(t)；

2.5)其他进行倒计时的认知用户收到

广播的信令信息后停止倒计时，准备收集射频能量。

步骤3：最优协作认知用户

向主网络源节点S反馈协作时间因子α^*(t)。

步骤4：如图4所示，主网络源节点S在时隙的前α^*(t)T时间内，向主网络目的节点D发送信息信号，与此同时，最优的协作认知用户

广播干扰信号，其他所有认知用户收集主网络源节点广播信号的射频能量。若认知用户U_k在当前时隙不是最优协作认知用户，则U_k在当前时隙内收集到的射频能量可以表示为：

其中，η为射频能量收集过程中射频能量向电能的转化效率，P_s代表主网络源节点S的额定发射功率，h_s,k(t)表示主网络源节点S到认知用户U_k的瞬时信道增益。

步骤5：如图4所示，主网络信息发送完毕后，最优的协作认知用户

停止广播干扰信号，在时隙后(1-α^*(t))T时间内向认知接入点AP发送信息信号。

下面结合仿真实验对本发明的应用效果作详细的描述。

图5给出了本发明主网络传输的保密中断概率随源节点发射功率的变化曲线。从仿真结果可以看出，随着源节点发射功率的不断增大，系统的保密中断概率不断降低，另一方面，当认知网络中认知用户数目增加时，主网络对抗信息窃取的性能也随之提升。由于随着主网络发射功率的增大和认知网络用户数的增加，认知用户能够收集到更多的射频能量资源，在每个时隙有更多的认知用户参与主网络安全传输的协作，从而利用空间分集提高主网络传输的安全性。

图6给出了本发明认知网络遍历容量随源节点发射功率的变化曲线。从仿真结果可以看出，认知网络遍历容量随源节点发射功率的增大而不断增加，这是由于随着源节点发射功率的增加使得认知用户以更大的概率具有充足的能量参与协作主网络传输，能够获得更多的系统频谱资源以传输自身信息。结合图5可以看出，本发明在有效提高主网络传输安全性的同时更加有效地利用网络的能量和频谱资源，达到主网络和认知网络的双赢。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，所述基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法包括一个主网络和一个认知网络；所述主网络至少包含一个主网络源节点、目的节点和窃听节点；所述认知网络至少包含一个认知接入节点和K个认知用户，其中认知用户从主网络源节点广播的信号中收集射频能量，并通过协作主网络信息的保密传输获得频谱资源；

所述基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法具体包括以下步骤：

步骤一，所有认知用户U_k根据自身能量状态Q_k(t)及协作效益因子

判断是否参与协作；其中k＝1,2,...,K，用于指代认知用户U_k；t表示时隙；

所述步骤一具体包括：

第一步，所有认知用户U_k， k＝1,2,...,K，计算自身协作效益因子

其中h_k,d(t)和h_k,e(t)分别表示认知用户U_k与主网络目的节点D和认知用户U_k与窃听节点E之间的瞬时信道增益；

第二步，所有认知用户U_k， k＝1,2,...,K检测自身电池的能量状态Q_k(t)；

第三步，所有认知用户U_k， k＝1,2,...,K根据自身电池的能量状态Q_k(t)和协作效益因子

判决是否参与协作：对于一个认知用户U_k，若其能量状态

且其协作效益因子

则参与当前时隙的协作，其中

为能量判决门限；否则，该认知用户不参与当前时隙的协作，准备从主网络源节点S广播的射频信号中收集能量；所有参与协作的认知用户组成新的认知用户集合{U₁,...,U_j,...,U_J}，其中J为参与协作认知用户总数；

步骤二，所有参与协作的认知用户U_j分布式选择出最优协作认知用户

其中j＝1,2,…,J，J表示参与协作的认知用户总数，j*用于表示最优协作认知用户编号，属于j＝1,2,…,J中的一个；

步骤三，最优协作认知用户

向主网络源节点S反馈最优协作时间因子α^*(t)，主网络源节点S在第t时隙的前α^*(t)T时间内，向主网络目的节点D发送信息信号，与此同时，最优的协作认知用户

广播干扰信号，其他所有认知用户收集主网络广播信号的射频能量，T为一个时隙长度；

步骤四，最优的协作认知用户获得后(1-α^*(t))T时隙时间的频谱资源，并在该时间内向认知接入节点AP发送信息信号。

2.如权利要求1所述的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，所述第二步的认知用户U_k的在第t时隙的电池能量状态Q_k(t)的更新表达式如下：

其中

为认知用户U_k电池的最大存储容量，I_k(t-1)为指示函数，定义如下：

是认知用户U_k在第t-1时隙中能够收集到的能量，P_k表示认知用户U_k的额定发射功率。

3.如权利要求2所述的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，认知用户U_k在第t-1时隙中能够收集到的能量

计算如下：

其中，η为射频能量收集过程中射频能量向电能的转化效率，P_s代表主网络源节点S的额定发射功率，h_s,k(t-1)表示第t-1时隙主网络源节点S到认知用户U_k的瞬时信道增益，α^*(t-1)表示第t-1时隙的最优协作时间因子。

4.如权利要求1所述的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，第三步中认知用户U_k的能量判决门限

的取值由下式决定：

其中，P_k表示认知用户U_k的额定发射功率。

5.如权利要求1所述的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

1)所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J， 计算其协作时间因子α_j(t)：

其中，其中h_s,d(t)和h_s,e(t)分别表示主网络源节点S与主网络目的节点D和主网络源节点S与窃听节点E之间的瞬时信道增益，

和

分别为主网络目的节点和窃听节点处的高斯白噪声方差，

为主网络保密安全容量的目标值，[·]⁺表示取正值运算符，即[x]⁺＝max{0,x}；P_s代表主网络源节点S的额定发射功率；P_j表示认知用户U_j的额定发射功率，h_j,d(t)和h_j,e(t)分别表示认知用户U_j与主网络目的节点D和认知用户U_j与窃听节点E之间的瞬时信道增益；

2)认知接入节点AP向所有参与协作的认知用户U_j，j＝1,2,...,J， 广播最优协作认知用户选择开始的信令；

3)各个参与协作的认知用户收到最优协作认知用户选择开始的信令后将本地时钟的初始时间τ_j(t)设置为：

并开始向0进行倒计时，其中，λ为选择过程的最大时间限制，|g_j(t)|²为认知用户U_j与认知接入节点AP之间的瞬时信道增益，β_j(t)为权重因子；

4)最先倒计时至0的认知用户作为最优协作认知用户

向其他用户广播一比特信令信息停止最优选择过程，其协作时间因子作为当前时隙最优协作时间因子α^*(t)，其中，最优协作认知用户

的编号j*可以表示为：

5)其他进行倒计时的认知用户收到

广播的信令信息后停止倒计时，准备收集射频能量。

6.如权利要求5所述的基于频谱及能量资源激励的物理层安全传输方法，其特征在于，所述权重因子β_j(t)计算如下：

β_j(t)＝1-α_j(t)。

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