CN107613542A - 一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，包括：将能量收集和压缩感知相结合，每个中继节点都设置有能量收集接收机，用于将射频信号转换为能量，并放大转发信号；信息接受和能量转换同时进行，采用功率分配中继准则，中继节点将接收到的信号按照功率分配比分为2部分，分别用于能量收集和信息传输；将转换得到的能量用于放大转发接收到的信息；分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能。本发明将压缩感知与能量收集技术相结合，解决难以为中继节点提供能量的问题，将源节点发送的射频信号转化为中继的能量，保证能量高效利用和数据的有效安全传输。

Description

一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种中继无需外部提供功率的协作安全传输方法。

背景技术

无线传感网络中，存在大量的传感器节点，是电池受限设备，其供电方式是干电池供电，一旦电量耗尽就需更换电池，但在很多环境中难以对电池进行更换或再充电，因此保证设备自身的功率成为一个难题。

目前通过将环境中的能量转化成节点自身的能量成为了一个研究方向。但是诸如太阳能、风能等能量易受天气和环境等因素制约，不能确保为传感器节点提供持续可靠的电能，因此射频能量收集成为无线通信领域的研究热点。

发明内容

本发明提供了一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，本发明将压缩感知与能量收集技术相结合，应用于无线协作网络中，提高网络的安全性能，解决难以为中继节点提供能量的问题，将源节点发送的射频信号转化为中继的能量，保证能量的高效利用和数据的有效安全传输，详见下文描述：

一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，所述方法包括以下步骤：

将能量收集和压缩感知相结合，每个中继节点都设置有能量收集接收机，用于将射频信号转换为能量，并放大转发信号；

信息接受和能量转换同时进行，采用功率分配中继准则，中继节点将接收到的信号按照功率分配比分为2部分，分别用于能量收集和信息传输；

将转换得到的能量用于放大转发接收到的信息；

分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能。

所述功率分配中继准则具体为：

将从源节点发送到目的节点所需的时间分成两个相等的持续时间，在第一个T/2期间，中继节点收集能量和接收信息同时进行；

能量收集接收机接收到的信号为信息接收机接收到的信号为

在第二个T/2中，中继节点使用收集的能量将接收到的信息放大转发至目的节点；

其中，ρ为功率分配比；H为信道矩阵；X为源节点S发送的信号；N₀为第一时隙的噪声。

所述分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能具体为：

根据奇异值分解法，得到源节点与中继节点之间的信道矩阵的奇异值矩阵，求出信号的等价表示，得到主信道容量；

获取源节点到窃听节点的信道容量；安全容量为主信道容量与信道容量的差值。

所述源节点与中继节点之间的信道矩阵具体为：

H＝α_SRH_SR

其中，α_SR为源节点与中继节点之间的路径损耗，H_SR∈R^M×N表示源节点与中继节点之间的高斯信道；N和M分别为中继节点和源节点的个数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明使用能量收集和压缩感知相结合的技术，提高能量利用效率，以及协作网络物理层安全；

2、本发明通过压缩感知进一步提高了网络的物理层安全，能量收集技术可以将源发送的射频信号转换成中继的能量，相比于非能量收集的协作网络，本发明能够在保证物理层安全的前提下，节约功率、提高能量效率；

3、本发明相比于非能量收集的协作网络，在提供相同功率(甚至较小功率)的情况下，能量收集机制能够获得更大的安全容量。

附图说明

图1为一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法的流程图；

图2为本发明提供的协作网络传输模型的示意图；

其中，S为源节点；R为中继节点；D为目的节点；E为窃听节点。

图3为本发明提供的能量收集、与功率分配准则的示意图；

图4为安全容量随源功率P_S增加的变化情况的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：将能量收集和压缩感知相结合，每个中继节点都设置有能量收集接收机，用于将射频信号转换为能量，并用于放大转发信号；

102：由于信息接受和能量转换能同时进行，采用功率分配中继准则，中继节点将接收到的信号按照功率分配比分为2部分，分别用于能量收集和信息传输；

103：将步骤101中转换得到的能量用于放大转发接收到的信息；

104：分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能。

综上所述，本发明实施例将协作中继技术与能量收集技术相结合，协作网络使用压缩感知技术，中继使用能量收集技术，将源发送的信号转换为供自身使用的能量，用于放大转发接收到的信息，能量收集技术使得中继无需额外的功率，在节省能量的同时还能保证数据的安全传输。

实施例2

下面结合图1、图2以及具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

其中，本发明实施例提供的能量收集网络工作机制为：

1)第一时隙，所有源节点S同时向中继节点R发送信息，中继节点R按照功率分配比，将接收到的信号分割为2部分，第一部分用于能量收集(转换为能量)，第二部分作为信息；

2)第二时隙，中继节点R使用收集到的能量(第一部分)将接受到的信息(第二部分)进行放大处理，并向目的节点D转发。

201：构建基于能量收集的压缩感知协作网络模型；

其中，参见图1，假设协作网络中含有N个源节点(S₁,…,S_N)，M个中继节点(R₁,…,R_M)，Z个窃听节点(E₁,…,E_Z)，和1个目的节点(D)，源节点的总传输功率为P_S，每个源节点的功率为P_S/N。中继节点R将射频信号进行能量转换，并使用放大转发机制，向目的节点D发送信息。

202：功率分配准则工作机制；

参见图2，该功率分配准则将从源节点S发送到目的节点D所需的时间分成两个相等的持续时间，即T/2，在第一个T/2期间，中继节点R收集能量和接收信息同时进行，功率分配比为ρ(0<ρ<1)，设中继节点R接收到的信号Y_R的功率为P，则能量收集接收机接收到的信号为其中，H为信道矩阵；X为源节点S发送的信号；N₀为第一时隙的噪声。

而信息接收机接收到的信号为这意味着有ρP的功率被分配给能量收集，剩余(1-ρ)P的功率则视为信息。在第二个T/2中，中继节点R使用收集的能量将接收到的信息放大转发至目的节点D。

203：安全容量的计算；

其中，该步骤203具体为：

1)假设传输信道为高斯信道，N个源节点S发送的信号表示为X＝[x₁,x₂,…,x_i,…,x_N]，x_i为第i个源节点S_i发送的数据。

2)假设源节点S与中继节点R之间的信道矩阵为H＝α_SRH_SR，α_SR为源节点S与中继节点R之间的路径损耗，H_SR∈R^M×N表示源节点S与中继节点R之间的高斯信道，其中，[H_SR]_i,j为源节点S_j与中继节点R_i之间的信道参数，R为实数。令H＝[h₁ h₂ … h_M]^T，其中h_i＝[h_i,1,h_i,2,…,h_i,j,…,h_i,N](1≤i≤M)，表示所有源节点S到R_i的信道，其中h_i,j＝[H_SR]_i,j(1≤j≤N)。

3)假设中继节点R与目的节点D之间的信道矩阵为G＝α_RDH_RD，α_RD为中继节点R与目的节点D之间的路径损耗，H_RD∈R^M×M表示中继节点R与目的节点D之间的高斯信道。

4)假设功率分配比为ρ，能量转换效率为η，则中继节点R_i收集到的能量为：

其中，为主信道第一时隙的噪声方差；h_i为所有源节点到中继节点R_i之间的信道；||.||₁表示向量的列范数，为所有元素之和。

因此，中继节点R_i的功率为：

中继节点R_i的放大系数可以表示为：

因此目的节点D接收的信号为其中W₀第二时隙的噪声。

5)根据奇异值分解法，令H＝UΛV^T，其中Λ为M×M维的对角矩阵，U∈C^M×M和V∈C^M×N都是酉矩阵，V^T是V的转置。

得到信道矩阵H的奇异值矩阵Λ，令Y′_RI＝U^T·Y_RI，X′＝V^T·X，N′₀＝U^T·N₀，由于酉矩阵的性质，U^T和V^T不改变信号Y_RI、X和N₀的功率，因此求出信号的等价表示

其中，Y′_RI为Y_RI的等价表示；X′为X的等价表示；N′₀为N₀的等价表示；Y′_D为Y_D的等价表示。

得到系统的主信道容量为：

其中，为主信道第二时隙的噪声方差；P_i为信息功率；为噪声功率；G_ii为中继节点R_i到目的节点D的信道；Λ_i为对角矩阵Λ的第i个元素。

6)源节点S_j到窃听节点E_t的信道容量为：

因此，窃听信道的容量为：

其中， 为表示源节点S_j到窃听节点E_t的信道容量，其表达式为公式(5)；B_j,t为源节点S_j到窃听节点E_t的窃听信道；为窃听信道第一时隙的噪声方差。

7)系统的安全容量为C_S＝C-C_E。

204：中继节点R通过能量收集技术，放大转发信号，保证了基于压缩感知协作网络的物理层安全。

综上所述，本发明实施例通过使用能量收集技术，来解决设备能量提供的问题，提高协作网络的性能。在此方法中，每个中继节点都是能量收集的节点，通过收集来自周围环境的射频信号(源节点发送的信号)来实现能源自给和更可持续，中继节点将收集到的能量用于放大转发信息至目的节点。压缩感知技术可以有效的提高协作无线网络的物理层安全，将能量收集技术应用于基于压缩感知的协作网络中，能够安全有效的将数据传输到目的节点，在节省能量的同时保证了网络的安全性。

实施例3

下面结合具体的实验数据、图4对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

网络中有15个源节点S、4个中继节点R、2个窃听节点E，和1个目的节点D，将源节点和中继节点间的距离归一化，即d_SD＝d_SR+d_RD＝1，能量收集机制只需为源节点S提供功率P_S，非能量收集机制则需提供源节点S的功率P_S和中继功率P_R，则为非能量收集机制提供的功率总和为P＝P_S+P_R＝10^-2W。

图4显示了中继节点R与源节点S的距离为d_SR＝0.3，非能量收集的总功率P固定(P＝10^-2W)，两种机制的源节点S的功率P_S相同时，安全容量随源功率P_S增加的变化情况。

由图4可知，当源功率P_S从10^-3W增加到10^-2W时，能量收集机制下的安全容量始终大于非能量收集机制。因此相比于非能量收集的协作网络，在提供相同功率(甚至较小功率)的情况下，能量收集机制能够获得更大的安全容量。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述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 (4)

1.一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将能量收集和压缩感知相结合，每个中继节点都设置有能量收集接收机，用于将射频信号转换为能量，并放大转发信号；

信息接受和能量转换同时进行，采用功率分配中继准则，中继节点将接收到的信号按照功率分配比分为2部分，分别用于能量收集和信息传输；

将转换得到的能量用于放大转发接收到的信息；

分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能。

2.根据权利要求1所述的一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，其特征在于，所述功率分配中继准则具体为：

将从源节点发送到目的节点所需的时间分成两个相等的持续时间，在第一个T/2期间，中继节点收集能量和接收信息同时进行；

能量收集接收机接收到的信号为信息接收机接收到的信号为

在第二个T/2中，中继节点使用收集的能量将接收到的信息放大转发至目的节点；

其中，ρ为功率分配比；H为信道矩阵；X为源节点S发送的信号；N₀为第一时隙的噪声。

3.根据权利要求1所述的一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，其特征在于，所述分析在高斯信道中不同参数对系统安全性的影响，在不同的信道环境中得到不同的最优功率分配比，保证协作网络的安全性能具体为：

根据奇异值分解法，得到源节点与中继节点之间的信道矩阵的奇异值矩阵，求出信号的等价表示，得到主信道容量；

获取源节点到窃听节点的信道容量；安全容量为主信道容量与信道容量的差值。

4.根据权利要求3所述的一种使用能量收集提高协作网络物理层安全的方法，其特征在于，所述源节点与中继节点之间的信道矩阵具体为：

H＝α_SRH_SR

其中，α_SR为源节点与中继节点之间的路径损耗，H_SR∈R^M×N表示源节点与中继节点之间的高斯信道；N和M分别为中继节点和源节点的个数。