CN109195169A - 一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，该方法中，主用户首先广播导频序列，认知用户利用接收到的导频序列估计信道状态信息并反馈至主用户，进而主用户选择出最优的认知用户作为中继节点。然后，被选中的认知用户利用时间切换或功率分割方案进行能量收集，并利用收集的能量协助主用户进行传输。为降低恶意节点的窃听性能，被选中的认知用户采用随机译码转发机制转发主用户信息至主用户接收端。认知用户在完成转发后，利用空闲的频谱资源传输自身的信息至认知用户接收端。与传统的物理层安全传输方法相比，本发明所设计的方法更加适用于协作式频谱共享网络场景，可获得更优的性能。
Description
技术领域
本发明涉及认知窃听网络系统中的物理层传输技术，具体说是一种基于能量采集技术的协作式频谱共享网络物理层安全传输方法。
背景技术
物理层安全技术是一种无线信息安全技术，其核心思想是从信息论的角度出发，利用无线信道之间物理层特性的不同来提升无线传输的安全性能。与传统加密技术相比，物理层安全技术不需要复杂的加密算法，且对窃听节点没有额外的限制，能够根据不同无线网络环境的特点设计出不同的方案策略来保证信息传输安全。认知无线电技术是一种频谱共享机制，其核心思想是在满足一定条件的基础上，非授权用户可以获准使用授权用户的频谱资源。认知无线电技术的提出为缓解频谱资源短缺问题提供了有效方法，受到了国内外学者的广泛关注。但相较于传统无线网络，认知无线网络开放的频谱资源控制机制也使得信息的传输安全面临更加巨大的挑战，因此认知无线网络环境下的物理层安全技术研究已成为一个非常热门的研究领域。
协作式频谱共享(以下简称overlay)是认知无线电技术的一种，在协作式频谱共享网络中，认知用户充当中继节点协助主用户进行信息传输，以此换取主用户的频谱资源。目前，针对认知无线网络环境下基于中继协助的物理层安全研究主要集中于认知underlay环境下，其中继协助技术主要包括以下几类：
(1)最优中继选择/放大转发(Optimal Relay Selection/Amplify Forward,简称ORS/AF)：该方法从候选中继中选择最优的中继接收源节点信息，并对信号进行放大后转发，复杂度低，但性能较差；
(2)最优中继选择/解码转发(Optimal Relay Selection/Decode Forward，简称ORS/DF)：该方法从候选中继中选择最优的中继节点接收源节点信息，并对信号进行解码后转发，复杂度与ORS/AF 相当，性能优于ORS/AF；
(3)波束赋形/放大转发(Beam-Forming/Amplify Forward,简称BF/AF)：该方法所有中继均接收源节点信息，对信号进行放大后进行波束赋形，然后转发，能够有效提升系统安全性能，但需要所有中继节点间时钟保持同步，复杂度很高。
(4)波束赋形/解码转发(Beam-Forming/Decode Forward,简称BF/DF)：该方法所有中继节点接收源节点信息，对信号解码后进行波束赋形，然后转发，复杂度较BF/AF相当，性能优于BF/AF。
认知underlay环境下的基于中继转发的物理层安全技术已经得到了较为广泛的研究，认知 underlay环境下均假设中继节点能量是充足的且各个节点之间相互合作，共同无偿为认知用户服务。但overlay环境与underlay环境不同，在overlay环境下认知用户通过扮演协作中继的角色协助主用户传输来换取有限的频谱资源，这就意味着认知用户之间是很难进行合作并保持时钟完全一致的，因此波束赋形方法很难发挥其应有的性能；其次，在实际网络环境中，非授权认知用户节点往往是能源受限的小设备，如果利用自身的能量协助主用户发射机进行数据传输会直接降低其自身数据的传输效率。因此，将underlay环境下的物理层安全技术简单套用在overlay环境下是无法取得预想的效果的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于能量采集技术的协作式频谱共享网络物理层安全传输方法，达到同时提升主用户信息传输安全与认知用户信息传输速率的目的。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，主用户与认知用户之间协作提高主用户的信息安全传输性能和认知用户的信息传输速率，该方法具体步骤如下：
a、主用户发射机广播导频信号，并获取认知用户发射机反馈的信道状态信息，选择信道状态最优的认知用户发射机作为协作中继；
b、主用户发射机根据认知用户发射机所采用的能量采集技术发送不同的信号，当认知用户发射机采用时间切换中继协议TSR能量采集技术时，主用户发射机首先发送能量信号，然后发送信息信号；当认知用户发射机采用功率分割中继协议PSR能量采集技术时，主用户发射机直接发送信息信号；
c、步骤a中被选择的最优认知用户发射机利用相应的TSR或者PSR能量采集技术进行能量采集，然后作为协作中继用采集的能量协助主用户发射机进行信息传输；
d、最优认知用户发射机利用采集的能量协助主用户进行数据传输，同时，最优认知用户发射机采用随机译码转发机制RaF对接收的信息进行译码转发；
e、最优认知用户发射机在完成协助后，利用获得的频谱资源向对应的认知用户接收机发送自身数据；
f、根据最优认知用户发射机和主用户接收机的接收信息瞬时信噪比获取主用户信息传输的安全中断概率；根据认知用户接收机的接收信息瞬时信噪比获取认知用户信息传输的遍历速率，进行物理层安全传输。
进一步地，步骤a中，主用户发射机采用导频估计法广播导频信号。
进一步地，步骤a中，最优的认知用户发射机的编号i*选择公式如下：
其中，为主用户发射机与第i个认知用户发射机之间的信道增益，其均值为E 为定义符号，表示最优的认知用户i*根据此公式选择，N为可选择的认知用户发射机数目。
进一步地，步骤c中，当采用TSR进行能量采集时，最优认知用户发射机收集的能量为
其中，PP为主用户发射机的额定信号发射功率；β∈(0,1)为主用户发射机传输能量信号时间所占主用户发射机传输时间的比例，η∈(0,1)为能量转换效率；为主用户发射机与最优的认知用户发射机i*之间的信道衰减系数增益，其均值为
此种情况下，认知用户接收的来自主用户信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
其中，为主用户发射机与最优认知用户发射机之间的信道衰减系数，|hPE|2为主用户发射机与窃听用户之间的信道增益，其均值为E(|hPE|2)＝λPE，σ2为噪声方差；
当采用PSR进行能量采集时，最优认知用户发射机收集的能量为
其中，μ∈(0,1)为能量采集功率所占接收总功率的比值；
此种情况下，认知用户发射机接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
窃听用户接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
进一步地，步骤d中，当采用TSR机制时，主用户接收机所接收信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收信息的瞬时信噪比SNR为
当采用PSR机制时，主用户接收机所接收信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收信息的瞬时信噪比SNR为
其中，PP为主用户发射机的额定信号发射功率；β∈(0,1)为主用户发射机传输能量信号时间所占主用户发射机传输时间的比例，η∈(0,1)为能量转换效率；σ2为噪声方差；为最优认知用户发射机与主用户接收机之间的信道增益，其均值为 为最优认知用户发射机与窃听用户之间的信道增益，其均值为
进一步地，步骤e，认知用户接收机接收信息的瞬时SNR可表示如下：
其中，PS为最优认知用户发射机的自身发射功率，|hSU|2为最优认知用户发射机与对应认知用户接收机之间的信道增益，其均值为E(|hSU|2)＝λSU。
进一步地，步骤f中，当采用TSR机制时主用户信息传输的安全中断概率为；
当采用PSR机制时主用户信息传输的安全中断概率为；
其中：N表示认知用户收发机的总数，n表示认知用户收发机的编号，
Rs为预设安全速率门限，α∈(0,1)为主用户发射机传输时间所占总传输时间的比例，K1()为第二类修正的贝叶斯函数；
认知用户信息传输的遍历速率的计算公式为：
其中，PS为最优认知用户发射机的自身发射功率；Ei()是指数积分函数。
一种基于能量采集技术的认知窃听网络构架，该网络是一种协作式频谱共享窃听网络，包括一对主用户收发机，N对认知用户收发机和一个窃听用户组成，每个节点均配备单天线；前述认知用户发射机作为中继协助进行信息传输；认知用户发射机通过协助主用户发射机传输信息来获取频谱资源并用于传输自身数据；窃听用户能够同时窃听主用户发射机和认知用户发射机发送的信息。
本发明的有益效果：
本发明中，最优认知用户发射机首先利用TSR/PSR能量采集技术进行能量采集，然后利用采集的能量协助主用户发射机进行数据传输，既协助了主用户的信息传输又保存了自身的能量，因此保证了能量受限的认知用户发射机在进行自身数据传输时能够获得更高的传输速率；
本发明在步骤d中针对窃听用户能够同时窃听主用户发射机和最优认知用户发射机发送的信息这一情况采用随机译码转发方式，使得窃听节点无法将从主用户发射机和认知用户发射机窃听的信号进行合并处理，从而降低了窃听用户的窃听效率，提升了主用户信息传输的安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为认知overlay窃听网络模型；
图2为基于TSR能量采集技术的数据传输框图；
图3为基于PSR能量采集技术的数据传输框图；
图4为基于TSR/PSR的RaF机制与基于TSR/PSR的DF机制在主用户安全中断概率性能的对比图；
图5为基于TSR/PSR的RaF机制与不采用TSR/PSR的RaF机制在主用户安全中断概率与认知用户遍历速率性能权衡的对比图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明采用图1所示的认知overlay窃听网络系统模型，其中包括一对主用户收发机(PT和PR)， N对认知用户收发机(STi和SUi，i∈{1,…,N})和一个窃听用户(Eve)。所有节点均只配备单天线。分析时运用以下三点假设：1)系统中所有信道均为瑞利平坦衰落信道；2)由于大尺度衰落和遮挡的影响，主用户收发机之间不存在直传链路，需要认知用户的协助；3)窃听节点可以同时窃听主用户发射机PT和认知用户发射机STi发射的信号，但只对主用户的信息感兴趣，窃听用户采取被动窃听方式，因此PT、STi与Eve之间的信道状态信息是未知的。
本发明根据采用的能量采集技术的不同，采用如图2以及图3所示框图，主要分为三个阶段：协作节点选择阶段、主用户信息传输阶段和认知用户信息传输阶段，具体步骤如下：
1、主用户发射机广播导频信号，认知用户利用接收到的导频信号估计信道状态信息并反馈给主用户，进而主用户选择信道状态最优的认知用户发射机充当中继节点来协助传输，选择方式如下：
其中，为主用户发射机与第i个认知用户发射机STi之间的信道衰减系数(E(|hPS|2)＝λPS)，N 为可选择的认知用户发射机数目。
2、在主用户信息传输的第一子阶段，最优认知用户发射机利用TSR/PSR能量采集技术进行能量采集，并利用采集的能量对主用户的信息进行中继转发。
当采用TSR进行能量采集时，如图2所示，主用户发射机首先发送能量信号，最优认知用户发射机接收能量信号并进行转换存储。此种策略下，在主用户信息传输的第一子阶段，最优认知用户发射机收集的用于协助主用户信息传输的功率为
其中，T为整个数据传输过程的总时间，α∈(0,1)为主用户发射机传输时间所占总时间的比例，β∈(0,1)为主用户发射机传输能量信号时间所占主用户发射机传输时间的比例，η∈(0,1)为能量转换效率。
最优认知用户发射机接收的主用户信息的瞬时信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)为
窃听用户接收的主用户信息的瞬时SNR为
其中，PP为主用户发射机的额定信号发射功率，hPE为主用户发射机与窃听用户之间的信道衰减系数(E(|hPE|2)＝λPE)，σ2为噪声方差。
依据香农信息论公式可知，此种情况下，第一子阶段主用户信息安全容量为
当采用PSR进行能量采集时，如图3所示，主用户发射机直接发送信息信号，最优认知用户发射机接收到信号后将其中一部分的信号转换为能量信号进行采集存储，另一部分作为信息信号进行解码转发。此种策略下，在主用户信息传输的第一子阶段，最优认知用户发射机收集的用于协助主用户传输的功率为
其中，μ∈(0,1)为能量采集功率所占接收总功率的比值。
最优认知用户发射机接收的主用户信息的瞬时SNR为
窃听用户接收的主用户信息的瞬时SNR为
此种情况下，第一子阶段主用户信息安全容量为
3、在主用户信息传输的第二个子阶段，最优认知用户发射机利用采集的能量对接收的主用户信息进行解码转发，为降低窃听用户的窃听效率，最优认知用户发射机采用随机译码转发机制(RaF)对解码信息进行重编码并转发。
当采用TSR策略时，主用户接收机所接收信息的瞬时SNR为
窃听用户接收信息的瞬时SNR为
其中， 为最优认知用户发射机与主用户接收机之间的信道衰落系数 为最优认知用户发射机与窃听用户之间的信道衰落系数
此种情况下，第二子阶段主用户信息安全容量为
当采用PSR策略时，主用户接收机接收信息的瞬时SNR为
窃听用户接收信息的瞬时SNR为
其中，
此种情况下，第二子阶段主用户信息安全容量为
4、在认知用户信息传输阶段，最优认知用户发射机利用获得的频谱资源进行自身数据的传输。认知用户接收机接收信息的瞬时SNR为
其中，PS为最优认知用户发射机的自身发射功率，hSU为最优认知用户发射机与对应认知用户接收机之间的信道衰落系数(E(|hSU|2)＝λSU)。
此种情况下，认知用户接收机接收信息的信息量为
CT＝(1-α)log2(1+γSU) (17)
5、结合步骤2和步骤3，采用RaF机制可以保证窃听用户无法将主用户信息传输的第一子阶段和第二子阶段的窃听信号进行合并，因此要确保主用户信息传输的安全，主用户信息传输两个子阶段的信息安全容量必须均高于设定的安全速率门限Rs。由此可知，主用户信息传输的安全中断概率可表示为：Pout(Rs)＝1-Pr(C1s＞Rs,C2s＞Rs)。
当采用TSR机制时，主用户信息传输的安全中断概率表达式可重新表示为：
因此，经过数学计算，最终可得在TSR机制下主用户信息传输安全中断概率表达式为：
当采用PSR机制时，主用户信息传输的安全中断概率表达式可重新表示为：
因此，经过数学计算，最终可得在PSR机制下主用户信息传输安全中断概率表达式为：
结合步骤4，认知用户信息传输阶段，认知用户接收机接收信息的遍历信息容量可表示为：
经过数学计算，最终可得认知用户信息传输遍历速率表达式为：
至此，本发明所提出的基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法完成。
实施例：
本发明的一个具体实例描述如下。如图1所示为认知overlay窃听网络系统模型，设定安全速率门限Rs＝0.5bit/s/Hz,噪声方差为σ2＝1，主信道方差窃听信道方差λPE＝λSE＝1,主用户发射机PT的传输功率恒为PP＝10dB,认知用户发射机ST的总传输功率为PS＝10dB。系统仿真采用Matlab软件。
图4所示为采用TSR/PSR能量采集机制时，RaF机制与DF机制的性能对比。仿真假定，能量采集转换效率η＝0.8，主用户传输时间占比α＝0.8。从图中可以看出，随着认知用户发射机数目 N的增加，各种机制的性能均有所提升，但基于RaF机制的算法性能始终优于基于DF的对应算法。
图5所示为在RaF机制基础上，采用能量采集技术与不采用能量采集技术的性能对比。仿真假定η＝1，选择最优的TSR能量采集时间分割比μ＝0.161和PSR能量采集功率分割比β＝0.054。从图中可以看出，本发明所提出的基于TSR/PSR能量采集机制的算法性能在主用户信息安全中断概率和认知用户信息遍历传输速率的性能权衡上优于不采用能量采集机制的算法，并且随着N的增大，优势会越来越明显。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (8)
1.一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于主用户与认知用户之间协作提高主用户的信息安全传输性能和认知用户的信息传输速率，该方法具体步骤如下：
a、主用户发射机广播导频信号，并获取认知用户发射机反馈的信道状态信息，选择信道状态最优的认知用户发射机作为协作中继；
b、主用户发射机根据认知用户发射机所采用的能量采集技术发送不同的信号，当认知用户发射机采用时间切换中继协议TSR能量采集技术时，主用户发射机首先发送能量信号，然后发送信息信号；当认知用户发射机采用功率分割中继协议PSR能量采集技术时，主用户发射机直接发送信息信号；
c、步骤a中被选择的最优认知用户发射机利用相应的TSR或者PSR能量采集技术进行能量采集，然后作为协作中继用采集的能量协助主用户发射机进行信息传输；
d、最优认知用户发射机利用采集的能量协助主用户进行数据传输，同时，最优认知用户发射机采用随机译码转发机制RaF对接收的信息进行译码转发；
e、最优认知用户发射机在完成协助后，利用获得的频谱资源向对应的认知用户接收机发送自身数据；
f、根据最优认知用户发射机和主用户接收机的接收信息瞬时信噪比获取主用户信息传输的安全中断概率；根据认知用户接收机的接收信息瞬时信噪比获取认知用户信息传输的遍历速率，进行物理层安全传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤a中，主用户发射机采用导频估计法广播导频信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤a中，最优的认知用户发射机的编号i*选择公式如下：
其中，为主用户发射机与第i个认知用户发射机之间的信道增益，其均值为 为定义符号，表示最优的认知用户i*根据此公式选择，N为可选择的认知用户发射机数目。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤c中，当采用TSR进行能量采集时，最优认知用户发射机收集的能量为
其中，PP为主用户发射机的额定信号发射功率；β∈(0,1)为主用户发射机传输能量信号时间所占主用户发射机传输时间的比例，η∈(0,1)为能量转换效率；为主用户发射机与最优的认知用户发射机i*之间的信道衰减系数增益，其均值为
此种情况下，认知用户接收的来自主用户信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
其中，为主用户发射机与最优认知用户发射机之间的信道衰减系数，|hPE|2为主用户发射机与窃听用户之间的信道增益，其均值为E(|hPE|2)＝λPE，σ2为噪声方差；
当采用PSR进行能量采集时，最优认知用户发射机收集的能量为
其中，μ∈(0,1)为能量采集功率所占接收总功率的比值；
此种情况下，认知用户发射机接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
窃听用户接收的来自主用户信息的瞬时SNR为
5.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤d中，当采用TSR机制时，主用户接收机所接收信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收信息的瞬时信噪比SNR为
当采用PSR机制时，主用户接收机所接收信息的瞬时信噪比SNR为
窃听用户接收信息的瞬时信噪比SNR为
其中，PP为主用户发射机的额定信号发射功率；β∈(0,1)为主用户发射机传输能量信号时间所占主用户发射机传输时间的比例，η∈(0,1)为能量转换效率；σ2为噪声方差；为最优认知用户发射机与主用户接收机之间的信道增益，其均值为为最优认知用户发射机与窃听用户之间的信道增益，其均值为
6.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤e，认知用户接收机接收信息的瞬时SNR可表示如下：
其中，PS为最优认知用户发射机的自身发射功率，|hSU|2为最优认知用户发射机与对应认知用户接收机之间的信道增益，其均值为E(|hSU|2)＝λSU。
7.根据权利要求1所述的一种基于能量采集技术的认知窃听网络物理层安全传输方法，其特征在于步骤f中，当采用TSR机制时主用户信息传输的安全中断概率为；
当采用PSR机制时主用户信息传输的安全中断概率为；
其中：N表示认知用户收发机的总数，n表示认知用户收发机的编号， Rs为预设安全速率门限，α∈(0,1)为主用户发射机传输时间所占总传输时间的比例，K1()为第二类修正的贝叶斯函数；
认知用户信息传输的遍历速率的计算公式为：
其中，PS为最优认知用户发射机的自身发射功率；Ei()是指数积分函数。
8.一种基于能量采集技术的认知窃听网络构架，其特征在于该网络是一种协作式频谱共享窃听网络，包括一对主用户收发机，N对认知用户收发机和一个窃听用户组成，每个节点均配备单天线；前述认知用户发射机作为中继协助进行信息传输；认知用户发射机通过协助主用户发射机传输信息来获取频谱资源并用于传输自身数据；窃听用户能够同时窃听主用户发射机和认知用户发射机发送的信息。
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