CN107819738A - 全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，包括：基于中继节点工作于全双工模式，源节点与中继节点可同时发送信号，窃听节点同时接收源节点、中继节点信号，构建信号模型；建立源节点、中继节点发送功率与系统安全容量的函数关系，即以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数；在不考虑中继节点发送功率约束条件下，获取源节点最优发送功率表达式，将约束优化函数转换为单变量约束优化函数求解问题；利用数值求解与二分法寻找最优中继发送功率的可行解，得到中继节点最优发送功率的表达式。所述安全控制方法能够提高全双工中继系统的物理层安全性能。

Description

全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法

技术领域

本发明涉及全双工中继系统中物理层安全相关技术领域，特别是指一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法。

背景技术

互联网的普及以及无线网络大规模的应用，给人们的生活带来了便利，人们在考虑无线通信系统的有效性和可靠性的同时，更加关注其安全性。无线通信中信号传输具有广播特性，让信息在发送的时候很容易被窃听者接收。从开放系统互连的七层协议角度来看，现行的通信系统信息安全技术主要集中于网络层及之上各层，并基于物理层已提供无差错传输的假设，同时要依赖以密码学为基础的加密技术，即密匙管理和分发，这样的加密算法对于计算能力有很高的要求同时密匙管理复杂。物理层安全技术作为上层安全技术的一种补充得到广泛的认可，而且关于物理层安全的研究内容逐渐增多。中继协作通信是现代无线通信中的关键技术之一，未来借助中继的通信会越来越广泛，当中继系统中存在一个窃听节点时，可以通过功率分配策略或中继选择策略等方法来提升中继系统物理层安全性能。

现有针对该领域的方案，参见图1，该全双工中继系统中包含源节点、目的节点、中继节点和窃听节点，源节点与目的节点的直接传输链路不存在。同时，现有技术中对于窃听节点引起的安全性问题无法通过简单有效的方式实现。

因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：无法有效克服由于窃听节点引起的安全问题，使得通信系统中的安全性不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，能够提高全双工中继通信系统在通信过程中物理层的安全性能。

基于上述目的本发明提供的一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，包括：

S1、基于系统的中继节点工作于全双工模式下，源节点与中继节点可以同时发送信号，窃听节点能够同时接收源节点、中继节点信号，构建系统的信号模型；

S2、根据构建的信号模型，建立系统源节点、中继节点发送功率与系统安全容量的函数关系，所述函数关系为以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数；

S3、在首先不考虑中继节点发送功率约束条件下，获取源节点最优发送功率表达式，将约束优化函数转换为单变量约束优化函数求解问题；

S4、利用数值求解与二分法寻找最优中继发送功率的可行解，得到中继节点最优发送功率的表达式。

可选的，所述步骤S1中构建的信号模型，建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件具体包括：

源节点信号功率为E[|s(t)|²]＝q₁，源节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_SP_S，q_S为源节点信号功率允许的最大值；中继节点信号功率为 E[|y_R(t)|²]＝E[|bs(t-1)|²]＝q₂，中继节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_RP_R，q_R为中继节点信号功率允许的最大值；

式中P_S表征源节点处与发送功率有关的常量，P_R表征源节点处与发送功率有关的常量；得到源节点、中继节点处功率约束条件表示为：

可选的，所述步骤S2中建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数具体包括：

以系统安全容量最大化为目标，建立最优源节点、中继节点发送功率的优化目标函数：

式中γ_D和γ_E为系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比，分别为：

式中γ_SR＝α_SRP_S/N₀，γ_RD＝α_RDP_R/N₀，γ_RE＝α_REP_R/N₀，γ_SE＝α_SEP_S/N₀，α_X＝|h_X|²(X:SR,RD,RE,SE)，其中h_SR，h_RD，h_RE，h_SE，分别为源节点-中继节点、中继节点-目的节点、中继节点-窃听节点和源节点-窃听节点之间的传输信道；得到全双工中继系统中可以建立如下约束优化函数：

可选的，所述步骤S3中将约束优化函数转换为单变量约束优化函数具体包括：

首先不考虑中继发送功率的限制条件，为求极值，对于上述功率分配方案关于变量q₁进行单调性判断，通过导函数可以判断系统安全容量随着变量q₁的增大而增大，于是变量q₁的最优分配方案为则约束优化函数可以转换为单变量约束优化函数问题：

s.t.0＜q₂≤q_r

此时，系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比分别为：

可选的，所述步骤S4的利用二分法求解中继节点最优发送功率具体包括：

前述约束优化函数是关于中继节点发送功率的单变量无约束优化函数，利用对数函数单调性有优化目标函数的单调性与下列函数的单调性相同：

为求极值，对变量求一阶导数并令一阶导数为零，有

当λ＝0时，令上述表达式为零可直接求得中继节点最优发送功率为

当0＜λ≤1时，利用二分法求函数P(q₂,λ)＝0在区间[0,q_r]的解，该解为中继节点最优发送功率；

式中，该函数中各变量为：

在本申请构建的系统中，中继节点工作于全双工模式，信号的接收与发送可以同时进行，因此系统中源节点、中继节点可以同时发送信号；假设源节点与目的节点之间的直接传输链路不存在，窃听节点可以同时接收源节点、中继节点信号，于是可以将两个信号中的任意一个信号看作是窃听节点的干扰信号；接着，构建该全双工中继系统的信号模型；在后面的具体实施例中，本申请选取源节点信号为窃听节点的干扰信号；

从上面所述可以看出，本申请提供的全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，通过构建通信系统使得窃听节点能够同时获取源节点和中继节点中的信号，进而在窃听节点中，源节点的信号将作为干扰信号，能够降低窃听链路的信干噪比和链路容量，提高了物理层的安全性。本申请还通过以安全容量为优化目标，对源节点和中继节点中的功率进行分配计算，使得源节点和中继节点按照最优的功率运行，使得系统的安全容量最大，也即系统通信的安全性大大提高。因此，本申请所述全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法能够提高系统在通信过程中物理层的安全性能。

附图说明

图1为现有技术中通信系统的模型结构示意图；

图2为本发明提供的全双工中继通信系统的结构示意图；

图3为本发明提供的全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法的一个实施例的流程示意图；

图4为本发明提供的系统安全容量随平均信噪比的变化曲线示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参照图2所示，本申请中的通信系统的窃听节点可以接收到源节点、中继节点的信号，中继节点工作于全双工模式，因此，源节点、窃听节点可以同时发送信号，对于窃听节点而言，它只能对这两个信号中的一个信号进行解码，于是可以把源节点、中继节点的发送信号中的任意一个信号看作是窃听节点的干扰信号，在源节点、中继节点信号发送功率单独受限条件下，以最大化系统安全容量为目标对源节点和中继节点的功率进行分配，提高全双工中继系统中的物理层安全性能，并且实现系统功率资源高效化。

具体的，全双工中继系统中源节点、目的节点和窃听节点均配有一根天线，工作于半双工模式；中继节点配有两根天线一根用来接收信号、一根用来发送信号，工作于全双工模式，全双工中继应用AF协议。源节点和目的节点通过中继节点进行通信，两者之间不存在直接的传输链路，以t时刻源节点发送信号s(t)为例构建系统的信号模型，通过信号模型分别计算主链路和窃听链路的端到端信干噪比。通过香农定理得到主链路容量和窃听链路容量，进而得到系统安全容量。得到系统安全容量的表达式后，在源节点、中继节点信号发送功率单独受限的条件下最大化系统安全容量，得到源节点、中继节点信号发送功率的最优功率表达式，提高全双工中继系统的物理层安全性能，同时实现系统功率资源的高效化。也即，本申请提出全双工中继系统的物理层安全问题，通过功率分配来提高系统的物理层安全性能。本申请实施例的目的在于，在全双工中继系统中，源节点与目的节点的直接传输链路不存在，窃听节点可以接收到源节点发送的信号，中继节点工作于全双工，则源节点、中继节点可以同时发送信号，窃听者可以同时收到源节点和中继节点发送的信号，对于窃听节点而言源节点、中继节点发送的信号中的任意一个信号都可以看作是窃听节点的干扰信号，由于窃听节点处干扰信号变大，窃听节点的端到端信干噪比下降，窃听链路容量减小，主链路容量保持不变，系统安全容量增大，提升系统的物理层安全性能；得到系统安全容量的具体表达式之后，在源节点、中继节点信号发送功率单独受限情况下，最大化系统安全容量，对源节点、中继节点信号发送功率进行分配，给出一种最优功率分配方案，提高全双工中继系统的物理层安全性能并且高效化系统功率资源。

参照图3所示，为本发明提供的全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法的一个实施例的流程示意图。所述全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法包括：

步骤S1，该系统中中继工作于全双工模式，源节点、中继节点可以同时发送信号，源节点与目的节点之间的直接传输链路不存在，窃听节点可以接收源节点、中继节点的发送信号，构建系统对应的信号模型；其中，源节点、中继节点发送信号中的任意一个信号都可以看作是窃听节点的干扰信号，本实施例中将源节点信号看作是窃听节点的干扰信号

步骤S2，根据构建的信号模型，建立系统源节点、中继节点发送功率与系统安全容量的函数关系，所述函数关系为建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数；

步骤S3，在首先不考虑中继节点发送功率约束条件下，获取源节点最优发送功率表达式，将约束优化函数转换为单变量约束优化函数求解问题；

步骤S4，利用数值求解与二分法寻找最优中继发送功率的可行解，得到中继节点最优发送功率的表达式。

中继节点工作于全双工模式，则源节点和中继节点可以在同一个时隙内传输不同的信号，现有技术方案中源节点与窃听节点直接不存在链路，在此场景下对系统源节点、中继节点做功率分配。本申请中源节点与窃听链路之间的直接传输链路存在，则窃听节点可以同时收听到源节点、中继节点的发送信号，由于这两个信号不同，可以将其中任意一个信号看作是窃听节点的干扰信号。本申请实施例中将源节点信号看作是窃听节点的干扰，这样窃听节点的端到端信干噪比就会变小，窃听链路容量减小，而主链路容量保持不变，使得系统安全容量增大，提高了全双工中继系统的物理层安全性能。此外，在源节点、中继节点信号发送功率单独受限的情况下以最大化系统安全容量为目标进行功率分配，求得源节点、中继节点信号发送功率的最优表达式，再一次提高该全双工中继系统的物理层安全性能，同时实现系统功率资源的高效化。

由上述实施例可知，本申请所述全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，通过构建通信系统信号模型使得窃听节点能够同时获取源节点和中继节点中的信号，进而对于窃听节点而言，源节点、中继节点的发送信号中的任意一个都可以看作是窃听节点的干扰信号，本申请中的实施例将源节点信号作为干扰信号，降低窃听节点的端到端的信干噪比，进而减小窃听链路容量，提高了物理层的安全性。在得到系统安全容量的表达式之后，本申请以最大化安全容量为优化目标，在源节点、中继节点信号发送功率单独受限的约束条件下对源节点和中继节点的信号发送功率进行分配计算，使得源节点、中继节点总的发送功率按照最优的功率运行，使得系统的安全容量最大，也即系统通信的安全性大大提高。因此，本申请所述全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法能够提高系统在通信过程中的安全性。

在本申请一些可选的实施例中，所述步骤S1中构建的信号模型，建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件具体包括：

源节点信号功率为E[|s(t)|²]＝q₁，源节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_SP_S，q_S为源节点信号功率允许的最大值；中继节点信号功率为 E[|y_R(t)|²]＝E[|bs(t-1)|²]＝q₂，中继节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_RP_R，q_R为中继节点信号功率允许的最大值；

式中P_S表征源节点处与发送功率有关的常量，P_R表征源节点处与发送功率有关的常量；得到源节点、中继节点处功率约束条件表示为：

在本申请一些可选的实施例中，所述步骤S2中建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数具体包括：

以系统安全容量最大化为目标，建立最优源节点、中继节点发送功率的优化目标函数：

式中γ_D和γ_E为系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比，分别为：

式中γ_SR＝α_SRP_S/N₀，γ_RD＝α_RDP_R/N₀，γ_RE＝α_REP_R/N₀，γ_SE＝α_SEP_S/N₀，α_X＝|h_X|²(X:SR,RD,RE,SE)，其中h_SR，h_RD，h_RE，h_SE，分别为源节点-中继节点、中继节点-目的节点、中继节点-窃听节点和源节点-窃听节点之间的传输信道；得到全双工中继系统中可以建立如下约束优化函数：

在本申请一些可选的实施例中，所述步骤S3中将约束优化函数转换为单变量约束优化函数具体包括：

首先不考虑中继发送功率的限制条件，为求极值，对于上述功率分配方案关于变量q₁进行单调性判断，通过导函数可以判断系统安全容量随着变量q₁的增大而增大，于是变量q₁的最优分配方案为则约束优化函数可以转换为单变量约束优化函数问题：

s.t.0＜q₂≤q_r

此时，系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比分别为：

在本申请一些可选的实施例中，所述步骤S4的利用二分法求解中继节点最优发送功率具体包括：

前述约束优化函数是关于中继节点发送功率的单变量无约束优化函数，利用对数函数单调性有优化目标函数的单调性与下列函数的单调性相同：

为求极值，对变量求一阶导数并令一阶导数为零，有

当λ＝0时，令上述表达式为零可直接求得中继节点最优发送功率为：

当0＜λ≤1时，利用二分法求函数P(q₂,λ)＝0在区间[0,q_r]的解，该解为中继节点最优发送功率；

式中，该函数中各变量为：

本申请一个实施例中的全双工通信系统如图2所示，在该系统中，源节点、目的节点和窃听节点都只配有一根天线工作于半双工模式；中继节点配有两根天线，一根用于收一根用于发，工作于全双工模式，由于该节点的接收天线和发送天线同时进行信号接收和发送，因此存在自干扰。源节点与目的节点之间的直接传输链路不存在，窃听节点可以收到源节点的发送信号，中继工作于全双工模式，源节点、中继节点可以通知发送信号，则窃听节点可以同时收到源节点、中继节点的信号，由于两个信号的不同，窃听节点只能对其中一个信号进行解码，两个信号中的任意一个信号都可以看作是窃听节点的干扰信号，本发明中窃听节点需要对中继节点信号进行解码，将源节点的信号看作是窃听节点的干扰信号。

该全双工中继通信中，通信过程是同时同频进行且中继采用的是放大转发 (AF)协议。设h_SR、h_RD、h_SE和h_RE分别代表S→R、R→D、S→E和R→E信道系数；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；中继节点、目的节点和窃听节点处的噪声n_R、n_D和n_E都是均值为零，方差为N₀的高斯白噪声。以t时刻源节点发送s(t)为例分析系统的信号模型，中继节点收到的信号为：

其中，v为中继处的剩余自干扰且v～CN(0,V)，P_S为源节点处与发射功率有关的常量，源节点信号发送功率为E[|s(t)|²]＝q₁，则源节点总的发送功率为q₁P_S；中继处的放大倍数为b，目的节点和窃听节点收到的信号分别为：

其中，P_R为中继节点处与发射功率有关的常量，中继节点处信号发送功率为E[|y_R(t)|²]＝E[|bs(t-1)|²]＝q₂，则中继节点总的发送总功率为q₂P_R，取中继处放大系数且中继处采用自干扰消除技术之后的剩余自干扰服从方差为V＝β(q₂P_R)^λ(0≤β,λ≤1)的复高斯分布。本实施例中h_SR、h_RD、h_SE和h_RE变化缓慢，可以认为是准静态信道，设α_X＝|h_X|²(X:SR,RD,RE,SE)，于是目的节点、窃听节点处的端到端信干噪比分别为：

其中，γ_SR＝α_SRP_S/N₀，γ_RD＝α_RDP_R/N₀，γ_RE＝α_REP_R/N₀，γ_SE＝α_SEP_S/N₀，根据香农定理可以得到主链路容量C_M、窃听链路容量C_E分别为：

C_M＝log₂(1+γ_D)

C_E＝log₂(1+γ_E)

于是系统安全容量为：

因此，本发明中的功率分配问题可以表述为：

为了使得上述功率分配过程有意义，需要保证系统的主链路容量大于窃听链路容量，根据对数函数单调性特性可以得到需要满足的条件，即：

因此有γ_RD-γ_RE+q₁γ_RDγ_SE＞0。

接着令

经化解之后可以简化为：

由于C_S＝log2(f(q₁,q₂))的单调性与f(q₁,q₂)的单调性相同，因此本发明中的功率分配问题可以进一步表述为：

首先求满足上式的最优通过对f(q₁,q₂)关于q₁求偏导有：于是

接着求满足上式的最优通过对f(q₁,q₂)关于q₂求偏导有：

其中，各系数分别为

A＝-(λ+1)γ_LIγ_RDγ_RE，

D＝-γ_RDγ_RE，

从上述求导式中可以看出：的符号取决于P(q₂,λ)的符号，但 P(q₂,λ)的符号难以判断，分以下情况讨论：

(1)当λ＝0时，通过函数单调性可以得到最优功率

(2)0＜λ≤1时，通过对P(q₂,λ)关于q₂求两次导数，并分析得到最优其中ρ为P(q₂,λ)＝0的一个根，本发明中可以通过二分法来求得ρ的具体值。

综上所述，最优功率分配方案为：

在通信系统中源节点、中继节点信号发送功率单独受限条件下，本申请提出一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，实现了源节点和中继节点的最优功率分配，系统模型参见图2所示。中继节点工作于全双工，源节点与中继节点可以同时发送信号，源节点与目的节点之间的直接传输链路不存在，而源节点与窃听节点之间的直接传输链路存在，窃听节点同时收到源节点、中继节点的信号的情况下，两个信号中的任意一个信号都可以看作是窃听节点处的干扰信号，本申请中的实施例把源节点信号看作是干扰信号，这样窃听节点的端到端信干噪比下降，窃听链路容量减小，而主链路容量保持不变，系统安全容量增大，提高了全双工中继系统的物理层安全性能。在源节点、中继节点信号发送功率单独受限的情况下进行功率分配，以最大化系统安全容量为优化目标，得到源节点、中继节点最优分配功率表达式，进一步提升全双工中继系统的物理层安全性能，同时实现了系统功率资源的高效化。

参照图4所示，为本发明提供的系统安全容量随平均信噪比的变化曲线示意图。在P_S＝P_R＝P情况下给出了本发明中系统的安全容量随着平均信噪比的仿真变化情况，与现有方案和本方案系统模型和等功率的情况下进行了对比。其中q_s＝q_r＝1，图中与自干扰有关系数λ分别取0，0.5，1，从仿真图反映：本发明中提出的全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全技术能够明显提升全双工中继系统的安全容量，因而具有良好的物理层安全性能。

根据上述实施例可知，本申请至少需要保护以下要点：

(1)全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，该全双工中继通信系统包含源节点、全双工中继节点、目的节点和窃听节点，中继节点应用放大转发协议。源节点、目的节点和窃听节点都只配有一根天线且工作于半双工模式，中继节点配有两根天线且工作于全双工模式。源节点和目的节点之间不存在直接传输链路，而源节点与窃听节点之间的直接传输链路存在，中继工作于全双工，源节点、中继节点可以同时发送信号，对于窃听节点而言，在任意时刻只能对两个信号中的一个信号进行解码，因此，可以将两个信号中的任意一个信号看作是窃听节点的干扰信号；这样窃听节点的端到端信干噪比减小，窃听链路容量减小，主链路容量不变，系统安全容量增大，提升全双工中继系统的物理层安全性能。系统中各信道随时间变化缓慢，认为是准静态信道。

(2)基于(1)中提出的系统的中继节点工作于全双工模式下，源节点与中继节点可以同时发送信号，窃听节点能够同时接收源节点、中继节点信号，构建系统的信号模型；根据构建的信号模型，建立系统源节点、中继节点发送功率与系统安全容量的函数关系，即建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率条件为约束，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数；在首先不考虑中继节点发送功率约束条件下，获取源节点最优发送功率表达式，将约束优化函数转换为单变量约束优化函数求解问题；利用数值求解与二分法寻找最优中继发送功率的可行解，得到中继节点最优发送功率的表达式。系统源节点、中继节点的信号发送功率按照最优功率运行，提高系统安全容量，提升同的物理层安全性能，并且实现系统功率资源的高效化。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源 /接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (5)

1.一种全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法，其特征在于，包括：

S1、基于系统的中继节点工作于全双工模式下，源节点与中继节点可以同时发送信号，窃听节点能够同时接收源节点、中继节点信号，构建系统的信号模型；

S2、根据构建的信号模型，建立系统源节点、中继节点发送功率与系统安全容量的函数关系，所述函数关系为以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数；

S3、在首先不考虑中继节点发送功率约束条件下，获取源节点最优发送功率表达式，将约束优化函数转换为单变量约束优化函数求解问题；

S4、利用数值求解与二分法寻找最优中继发送功率的可行解，得到中继节点最优发送功率的表达式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中构建的信号模型，建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件具体包括：

源节点信号功率为E[|s(t)|²]＝q₁，源节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_SP_S，q_S为源节点信号功率允许的最大值；中继节点信号功率为E[|y_R(t)|²]＝E[|bs(t-1)|²]＝q₂，中继节点总发送功率小于等于系统允许的最大发送功率q_RP_R，q_R为中继节点信号功率允许的最大值；

式中P_S表征源节点处与发送功率有关的常量，P_R表征源节点处与发送功率有关的常量；得到源节点、中继节点处功率约束条件表示为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中建立以源节点和中继节点发送功率小于最大发送功率为约束条件，以系统安全容量最大化为目标的约束优化函数具体包括：

以系统安全容量最大化为目标，建立最优源节点、中继节点发送功率的优化目标函数：

式中γ_D和γ_E为系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比，分别为：

式中γ_SR＝α_SRP_S/N₀，γ_RD＝α_RDP_R/N₀，γ_RE＝α_REP_R/N₀，γ_SE＝α_SEP_S/N₀，α_X＝|h_X|²(X:SR,RD,RE,SE)，其中h_SR，h_RD，h_RE，h_SE，分别为源节点-中继节点、中继节点-目的节点、中继节点-窃听节点和源节点-窃听节点之间的传输信道；得到全双工中继系统中可以建立如下约束优化函数：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中将约束优化函数转换为单变量约束优化函数具体包括：

首先不考虑中继发送功率的限制条件，为求极值，对于上述功率分配方案关于变量q₁进行单调性判断，通过导函数可以判断系统安全容量随着变量q₁的增大而增大，于是变量q₁的最优分配方案为则约束优化函数可以转换为单变量约束优化函数问题：

此时，系统主链路和窃听链路的端到端信干噪比分别为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4的利用二分法求解中继节点最优发送功率具体包括：

前述约束优化函数是关于中继节点发送功率的单变量无约束优化函数，利用对数函数单调性有优化目标函数的单调性与下列函数的单调性相同：

为求极值，对变量求一阶导数并令一阶导数为零，有

当λ＝0时，令上述表达式为零可直接求得中继节点最优发送功率为：

当0＜λ≤1时，利用二分法求函数P(q₂,λ)＝0在区间[0,q_r]的解，该解为中继节点最优发送功率；

式中，该函数中各变量为：