CN109361486B - 一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法 - Google Patents

一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，包括能量采集、节点数据传输和性能评估反馈三个部分，能量采集步骤是各从用户节点根据能量队列状态、从用户以往的平均中断概率性能和所允许的最大采集时间自适应从环境采集能量以满足数据传输所需；节点数据传输步骤是在能够采集完成后，基于能量可供传输能量和主信道瞬时信道增益综合结果调度从用户，并结合用户以往平均窃听概率最终确定从用户进行数据传输；性能评估反馈步骤是在从用户基站接收到从用户节点所传输的数据后评估系统所取得的中断概率和窃听概率性能。本方法可以提升系统对抗窃听节点恶意窃听的能力。

Description

一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层 安全方法
技术领域
本发明涉及一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，属于无线通信技术。
背景技术
随着用户接入无线网络需求的海量增长，频谱资源紧缺问题正变得越来越引入关注，认知无线电技术允许非授权用户(从用户)机会式使用授权用户(主用户)频谱资源，从而可以有效提高频谱资源利用率，一定程度上缓解频谱资源紧缺的难题。此外，许多情况下从用户需要在没有固定供电设施时也能够正常工作，需要其具体从环境中采集能量的能力，由于主用户发射机通常都具备较大的发射功率，因而从主用户发射机采集能量也是一种切实可行方案。与此同时，越来越多的研究表明恶意窃听干扰行为正变得日益猖獗，导致用户所传输的保密数据被成功窃听的风险显著提升。因此，为保护用户所传输数据的安全和人们的隐私，需要研究相应的对抗策略。基于此，物理层安全技术孕育而生，其可以不需要进行复杂的信源编码，降低计算复杂度的同时提升无线传输的安全性能。
能量采集技术主要被划分为功率分割和时隙切换两大类，分别是从功率和时隙维度按采集和数据处理、传输所需进行划分。通过对物理层安全研究的深入，可以通过研究几种技术来提高异构无线网络的安全性，波束成形Beamforming和多天线MIMO技术可以被用于提升无线传输的物理层安全性能，人工噪声技术也可以被用于干扰窃听节点的恶意窃听的同时增强无线传输的安全性。近年来，中继选择和用户调度技术的被作为一种新的物理层安全方法，被用于提升无线传输的物理层安全性能。
基于以上观点，这里研究的基于能量采集供电的频谱共享无线通信系统的物理层安全性，网络系统包括一对主用户发射机和接收机，一个共享主用户频谱的从用户系统，其中包含多个从用户节点和一个从用户基站，从用户节点没有单独的供电装置，需要从射频信号中采集能量来供电，同时还存在多个窃听节点。为了提高所研究系统的无线传输的安全性能，研究基于自适应能量采集和多用户调度相结合策略来在不降低无线传输可靠性前提下，能够增强系统无线数据传输的抗窃听能力。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，基于能量存储缓冲器情况、根据从用户以往数据传输的平均中断概率所设定的功率门限和系统所允许的最大采集时间动态调整能量采集时间因子，并结合基于瞬时信道增益和评估反馈的窃听概率而得到的用户调度策略，在不降低系统无线传输的可靠性同时，不依赖复杂信源编码而显著提升无线传输的物理层安全性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，包括能量采集、节点数据传输和性能评估反馈三个部分，具体步骤如下：
(1)能量采集
能量采集步骤开始后，同时考虑能量采集队列、采集时间门限和从用户以往平均中断概率三个因素，确定能量采集时长因子α；
(2)节点数据传输
在能量采集完成后，综合根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则，并结合所选从用户以往的窃听概率情况最终确定在给定传输时隙需要调度的从用户，由所选从用户进行数据传输；
(3)性能评估反馈
性能评估反馈在从用户基站侧完成，从用户基站接收从用户所传输的数据并将其转发给服务中心的同时，分别评估数据传输对应的中断概率和窃听概率，并将中断概率和窃听概率评估结果分别反馈给能量采集步骤和节点数据传输步骤。
本发明提供的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，将能量采集时间参数调整与已采集能量情况、数据传输的中断概率情况和系统所允许的最大采集时间三者有机结合，自适应控制系统能量采集时间，在避免能量过少或过多采集问题的同时，降低无线传输的中断概率，提升无线传输的可靠性。此外，在数据传输开始前，通过瞬时信道增益和评估反馈的窃听概率调度优化的从用户节点进行数据传输，结合物理层安全技术和能量采集自适应控制技术能够在保证数据可靠性的同时，提升系统对抗恶意窃听行为能力的同时，有效降低无线传输被成功窃听的概率。
具体的，所述步骤(1)中，对能量采集队列是否已采满、采集时间是否超过最大采集门限、采集能量是否满足根据从用户以往平均中断概率所设定的门限进行判断，当三个条件的判断结果均为否定时，继续进行能量采集，直至至少有一个条件的判断结果为是。
具体的，所述步骤(2)中，根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则(EHbUS准则)，表示为：
其中：i为从用户的序列号，i∈{1,…,N}，N为从用户数量；PT为主用户发射机的发射功率，η为从用户能量采集转换效率，表示使目标函数最大化时i所对应的值，min(·)表示取最小值，hpi为主用户发射机到从用户i无线链路的瞬时信道增益，hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，NB为从用户基站接收天线数目，hir为从用户i到主用户接收机无线链路的瞬时信道增益，PI为主用户接收机所能容忍的最大干扰功率。
基于该用户调度准则给出从用户序号后，查询该从用户以往的窃听概率，如果该从用户以往的平均窃听概率未超过系统所规定的窃听概率门限，则最终选择该从用户进行数据传输；否则，排除该从用户排除后，利用该用户调度准则重新调度从用户进行数据传输。
具体的，所述步骤(3)中，中断概率表示为：
其中：Pi为从用户i的发射功率，NB为从用户基站接收天线数目，hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益；T为给定传输时隙长度，Ro为数据传输速率，N0为加性噪声的功率谱密度；Pr(·)表示取概率，max(·)表示取最大值。
具体的，所述步骤(3)中，窃听概率表示为：
其中：N为从用户数量，NE为窃听节点接收天线数目，NB为从用户基站接收天线数目，D为从用户构成的集合；Pi为从用户i的发射功率，Pt从用户t的发射功率；hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，htj为从用户t到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益；为从用户i到从第k个窃听节点Ek的第l根接收天线无线链路的瞬时信道增益；Pr(·)表示取概率，max(·)表示取最大值。
有益效果：本发明提供的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，综合根据采集能量情况、数据传输的中断概率和系统所允许的最大采集时间设计优化能量采集时间因子，能够自适应控制系统能量采集时间，结合瞬时信道增益和评估反馈的窃听概率适时给出调度从用户进行数据传输，从而将能量采集自适应控制和多用户调度两者有机结合，在不牺牲系统无线传输可靠性的前提下，增强频谱共享系统无线传输的物理层安全性能。
附图说明
图1为本发明的实施流程图；
图2为本发明方法在不同能量采集因子时系统窃听概率与中断概率关系曲线图；
图3为本发明方法在不同从用户数N时系统窃听概率与中断概率关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，从用户节点没有固定供电设施，需要以从无线信号中采集能量的方式来供电，用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法包括能量采集步骤、节点数据传输和性能评估反馈三个功能部分，具体步骤如下：
一、能量采集
能量采集步骤开始后，同时考虑能量采集队列、采集时间门限和从用户以往平均中断概率三个因素，确定能量采集时长因子α。具体而言，能量采集控制同时判断对能量采集队列是否已采满、采集时间是否超过最大采集门限、采集能量是否满足根据从用户以往平均中断概率所设定的门限进行判断，当三个条件的判断结果均为否定时，继续进行能量采集，直至至少有一个条件的判断结果为是。
二、节点数据传输
在能量采集完成后，综合根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则，并结合所选从用户以往的窃听概率情况最终确定在给定传输时隙需要调度的从用户，由所选从用户进行数据传输。
根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则(简称EHbUS准则)，表示为：
其中：i为从用户的序列号，i∈{1,…,N}，N为从用户数量；PT为主用户发射机的发射功率，η为从用户能量采集转换效率，表示使目标函数最大化时i所对应的值，min(·)表示取最小值，hpi为主用户发射机到从用户i无线链路的瞬时信道增益，hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，NB为从用户基站接收天线数目，hir为从用户i到主用户接收机无线链路的瞬时信道增益，PI为主用户接收机所能容忍的最大干扰功率。
此外，基于该用户调度准则给出从用户序号后，查询该从用户以往的窃听概率，如果该从用户以往的平均窃听概率未超过系统所规定的窃听概率门限，则最终选择该从用户进行数据传输；否则，排除该从用户排除后，利用该用户调度准则重新调度从用户进行数据传输。
三、性能评估反馈
在节点数据传输的同时，从用户基站同步进行中断概率和窃听概率性能评估，并将中断概率和窃听概率评估结果分别反馈能量采集步骤和节点数据传输步骤。从用户基站将接收到的数据发送给服务中心，在服务中心确定好传输模式调度方案后，服务中心将接收到的数据传输给所选传输模式对应的目标基站。
从用户基站评估设计的EHbUS方案的中断概率的方法为：
其中：Pi为从用户i的发射功率，T为给定传输时隙长度，Ro为数据传输速率，N0为加性噪声的功率谱密度，Pr(·)表示取概率，max(·)表示取最大值。
从用户基站评估所设计的EHbUS方案的窃听概率的方法为：
其中：NE为窃听节点接收天线数目，D为从用户构成的集合，Pt从用户t的发射功率，htj为从用户t到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，为从用户i到从第k个窃听节点Ek的第l根接收天线无线链路的瞬时信道增益。
在能量采集时长因子为α时，系统窃听概率随中断概率关系如图2所示。从图2可以看出，系统的中断概率和窃听概率性能与能量采集因子密切相关，通过根据实际系统情况动态调整能量采集时长因子α可以提升系统的中断概率和窃听概率性能。将能量采集因子动态调整与所设计多用户策略相结合，可以在给定中断概率约束时能够明显降低系统的窃听概率。与此相对应的是，在给定窃听概率约束时，可以优化系统的中断概率性能。图2还表明，将动态能量采集因子与传统轮流调度RRUS策略相结合时的系统窃听概率和中断概率折中性能要差于所设计的EHbUS方案的对应的性能。
在不同从用户数目N时，系统窃听概率随中断概率关系如图3所示。从图2可以看出，对于不同的N值，所设计的EHbUS机制，N＝8时在给定具体中断概率时，其能够获得最低的窃听概率值。同样，在给定具体窃听概率值，其也能够获得最低的中断概率值。这表明在给定中断概率约束时，当从用户数目增多时，所设计EHbUS能够更加有效提升系统对抗窃听的能力，提升无线传输的物理层安全性能。另外，对于相同的N值，EHbUS机制能够比传统的轮询用户调度RRUS方案获得更好的安全性与可靠性折中性能。
综上所述，本发明提供的一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法将能量采集时间参数调整与已采集能量情况、数据传输的中断概率情况和系统所允许的最大采集时间三者有机结合，自适应控制系统能量采集时间，在避免能量过少或过多采集问题的同时，降低无线传输的中断概率，提升无线传输的可靠性。此外，在数据传输开始前，通过瞬时信道增益和评估反馈的窃听概率调度优化的从用户节点进行数据传输，结合物理层安全技术和能量采集自适应控制技术能够在保证数据可靠性的同时，提升系统对抗恶意窃听行为能力的同时，有效降低无线传输被成功窃听的概率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：包括能量采集、节点数据传输和性能评估反馈三个部分，具体步骤如下：
(1)能量采集
能量采集步骤开始后，同时考虑能量采集队列、采集时间门限和从用户以往平均中断概率三个因素，确定能量采集时长因子α；
(2)节点数据传输
在能量采集完成后，综合根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则，并结合所选从用户以往的窃听概率情况最终确定在给定传输时隙需要调度的从用户，由所选从用户进行数据传输；
(3)性能评估反馈
性能评估反馈在从用户基站侧完成，从用户基站接收从用户所传输的数据并将其转发给服务中心的同时，分别评估数据传输对应的中断概率和窃听概率，并将中断概率和窃听概率评估结果分别反馈给能量采集步骤和节点数据传输步骤。
2.根据权利要求1所述的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对能量采集队列是否已采满、采集时间是否超过最大采集门限、采集能量是否满足根据从用户以往平均中断概率所设定的门限进行判断，当三个条件的判断结果均为否定时，继续进行能量采集，直至至少有一个条件的判断结果为是。
3.根据权利要求1所述的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据从用户到从用户基站链路的瞬时信道增益和能量采集队列中的能量值来设计基于能量采集的用户调度准则，表示为：
其中：i为从用户的序列号，i∈{1,…,N}，N为从用户数量；PT为主用户发射机的发射功率，η为从用户能量采集转换效率，表示使目标函数最大化时i所对应的值，min(·)表示取最小值，hpi为主用户发射机到从用户i无线链路的瞬时信道增益，hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，NB为从用户基站接收天线数目，hir为从用户i到主用户接收机无线链路的瞬时信道增益，PI为主用户接收机所能容忍的最大干扰功率。
4.根据权利要求3所述的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：基于该用户调度准则给出从用户序号后，查询该从用户以往的窃听概率，如果该从用户以往的平均窃听概率未超过系统所规定的窃听概率门限，则最终选择该从用户进行数据传输；否则，排除该从用户后，利用该用户调度准则重新调度从用户进行数据传输。
5.根据权利要求1所述的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：所述步骤(3)中，中断概率表示为：
其中：Pi为从用户i的发射功率，NB为从用户基站接收天线数目，hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益；T为给定传输时隙长度，Ro为数据传输速率，N0为加性噪声的功率谱密度，Pr(·)表示取概率，max(·)表示取最大值。
6.根据权利要求5所述的用于优化基于能量采集供电的无线频谱共享系统物理层安全方法，其特征在于：所述步骤(3)中，窃听概率表示为：
其中：N为从用户数量，NE为窃听节点接收天线数目，NB为从用户基站接收天线数目，D为从用户构成的集合；Pi为从用户i的发射功率，Pt为 从用户t的发射功率；hij为从用户i到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益，htj为从用户t到从用户基站第j根接收天线无线链路的瞬时信道增益；为从用户i到从第k个窃听节点Ek的第l根接收天线无线链路的瞬时信道增益；Pr(·)表示取概率，max(·)表示取最大值。
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