CN109511111B - 一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，包括建立存在多个中间节点的解码转发能量采集网络，其传输过程为：首先，各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集；其次，源节点的向中间节点发送信息；然后，从中间节点中选择最优的中继和干扰节点，被选择的中继节点采用解码转发协议向目的节点转发信息，被选择的干扰节点向窃听节点发送干扰信号；最后，目的节点接收信息。本发明公开的方法在节点的选择过程中除了考虑中间节点到目的和窃听节点的信道增益，还考虑了供电基站到中间节点的信道增益，从而提高了中间节点能量的利用率以及能量采集物联网系统的数据安全传输性能。

Description

一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展和广泛应用，无线通信网络对电量的需求越来越大，能量不足成为其系统性能提升的瓶颈。传统的解决办法是更换电池或者通过外部电源供电，但对某些场景，如偏远区域或恶劣环境下的无线通信网络，频繁更换电池或者架设供电线路是难以实现的。能量采集技术通过将射频信号中的能量转化为设备自身所需的电量，可以有效解决这一问题。此外，随着无线通信应用领域的不断扩展和服务内容的不断增加，无线通信网络的信息安全问题越来越被人们所重视。传统通信网络中，信息安全的保障主要是通过以现代密码学为基础的上层网络加密算法实现的。但是很多小型终端设备并不具备对复杂算法的处理能力，这意味着需要新的方法来确保信息安全。物理层安全技术通过对无线信道的物理特性加以利用，保证了信息传输的私密性，从而引起了广泛关注。

研究表明，当合法用户的信道条件优于窃听用户的信道条件时，无需安全密钥也可以实现信息的安全传输。在存在多个中间节点的传输场景中，为了降低信号衰落所带来的影响，可以在多个中间节点中选择合适的中继节点进行信号转发。为了保证合法用户的信道条件优于窃听用户的信道条件，还可以选择出合适的干扰节点发射人工干扰信号对窃听用户进行干扰。

综上，在能量采集物联网中，可以通过合理选择供电基站，中继节点和干扰节点，提高能量效率及系统安全性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，该方法能够有效提高具有多个中间节点的物联网系统的安全中断概率性能和系统的能量利用率。

本发明所采用的技术方案是，一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，具体操作包括如下过程：

首先建立存在多个中间节点的解码转发能量采集网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E，M+1个中间节点I₁,I₂…I_M+1，以及N个供电基站P₁,P₂...P_N，假设源节点与目的节点之间没有直接通信链路，必须依靠中间节点的帮助完成信息传输，所有中间节点能够从供电基站所发出的射频信号中进行能量采集，将任意两个节点之间的信道衰落系数用h_XY来表示，其中X∈{P_n,I_i},Y∈{I_i,D,E}，令|h_XY|²＝gXY，并且接收端噪声为独立的零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N₀，整个传输过程包括：

第一阶段：各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集；

第二阶段：源节点向中间节点发送信息；

第三阶段：从中间节点中选择最优的中继和干扰节点，被选择的中继节点采用解码转发协议向目的节点转发信息，被选择的干扰节点向窃听节点发送干扰信号；

第四阶段：目的节点接收信息。

本发明的其他特点还在于，

第一阶段各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集的具体过程如下：

步骤1.最优供电基站的选择，具体选择方法为：各中间节点从自身到每个供电基站的信道增益中的选择信道增益最大的一个供电基站作为自己的最优供电基站，即

其中，

表示供电基站P_n到各中间节点I_i的信道增益；

步骤2.各中间节点进行能量采集，令能量采集的时间为αT，则其获得的能量如公式2所示：

其中，T表示传输周期，α表示时间切换系数，P₀是各供电基站的发送功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)。

第二阶段源节点向中间节点发送信息，具体过程如下：

设每个中间节点采用“采集-使用”模式进行能量的处理，即中间节点采集到的能量不会被存储到节点中而是全都用来进行信息传输；令源节点向中间节点发送信息和被选择的中间节点将信息转发给目的节点所占用的时间均为(1-α)T/2，在该阶段认为所有的中间节点都能成功解码。

第三阶段从中间节点中选择最优的中继和干扰节点，被选择的中继节点采用解码转发协议向目的节点转发信息，被选择的干扰节点向窃听节点发送干扰信号，具体过程如下：

步骤1.假设I_m和I_p分别表示中继节点和干扰节点，

和

分别表示中继节点和干扰节点的发射功率，其值由公式3得到：

其中，

表示每个中间节点的发射功率，P₀是各供电基站的功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)；

步骤2.目的节点的瞬时接收信噪比γ_D和窃听节点的瞬时接收信噪比γ_E分别如公式4和公式5所示：

其中

步骤3.在高信噪比条件下，即ξ＞＞1时，窃听节点处的接收信噪比表示为：

步骤4.信息传输所占时间为1-α，根据安全容量的定义，该网络的安全容量表示为：

步骤5.将公式4和公式6代入公式7中，计算得到系统的安全容量，然后根据公式8得到系统的安全中断概率：

P_{out_s}＝P_r{C_s＜T_r} (8)其中，T_r是预先设定的阈值；

将公式7代入公式8中，系统的安全中断概率表示为：

其中，

步骤6.由公式9可知，安全中断概率P_{out_s}是关于

和

乘积的单调递减函数，以安全中断概率最小为原则，干扰节点J依据公式10进行选择：

设

则系统的安全容量为：

步骤7.由公式8可知，最小化安全中断概率等同于最大化系统安全容量，因此，根据公式12来确定中继节点R：

其中，

步骤8.根据公式10和公式12确定干扰节点和中继节点之后，中继节点向目的节点发送消息，干扰节点向窃听节点发送干扰信息。

第四阶段：中继节点向目的节点发送信息之后，目的节点接收信息；系统的安全中断概率如公式13所示：

其中

K_n(·)是贝塞尔函数，其中n＝0,1，...，

λ_PI表示供电基站与中间节点间信道增益的均值，λ_ID表示中间节点与目的节点间信道增益的均值，λ_IE表示中间节点与窃听节点间信道增益的均值。

本发明的有益效果是，一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，以最小化安全中断概率为目标，通过中继和干扰节点的联合选择，有效降低了系统的安全中断概率，提高了能量采集物联网系统的数据安全传输性能；本发明在节点的选择过程中除了考虑中间节点到目的和窃听节点的信道增益，还考虑了供电基站到中间节点的信道增益，从而提高了中间节点能量的利用率；本发明还增加了对供电基站的选择，进一步提高了网络的能量效率，在能量资源有限的条件下获得了较好的安全中断性能。

附图说明

图1是本发明的无线传输网络的模型图；

图2是本发明的中间节点信息传输与能量采集的时间分配图；

图3是本发明在不同供电基站个数条件下系统安全中断概率随系统信噪比变化的仿真和数值计算对比图；

图4是本发明系统安全中断概率随能量采集系数变化曲线与其它方法的仿真对比图；

图5是本发明在不同能量采集时间的条件下系统安全中断概率随中间节点个数增加的仿真和数值计算对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，具体操作包括如下过程：

如图1所示，首先建立存在多个中间节点的解码转发能量采集网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E，M+1个中间节点I₁,I₂…I_M+1，以及N个供电基站P₁,P₂...P_N。假设源节点与目的节点之间没有直接通信链路，必须依靠中间节点的帮助来完成信息传输。所有中间节点能够从供电基站所发出的射频信号中进行能量采集。假设任意两个节点之间的信道服从方差为λ_XY的平坦瑞利衰落，信道衰落系数用h_XY来表示，其中X∈{P_n,I_i},Y∈{I_i,D,E}，且令|h_XY|²＝g_XY。假设各个传输链路相互独立，并在一个传输周期内保持不变。假设中间节点之间的距离很近，因此

假设所有节点仅有单根天线，并且接收端噪声为独立的零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N₀。

整个传输过程包括：

第一阶段：各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集；

具体过程如下：

步骤1.最优供电基站的选择。具体选择方法为：各中间节点从自身到每个供电基站的信道增益中的选择信道增益最大的一个供电基站作为自己的最优供电基站，即

其中，

表示供电基站P_n到各中间节点I_i的信道增益。

步骤2.各中间节点进行能量采集，令能量采集的时间为αT，则其获得能量如公式2所示：

其中，T表示传输周期，α表示时间切换系数，P₀是各供电基站的发送功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)。

第二阶段：源节点向中间节点发送信息；

具体过程如下：

设每个中间节点采用“采集-使用”模式进行能量的处理，即中间节点采集到的能量不会被存储到节点中而是全都用来进行信息传输。令源节点向中间节点发送信息和被选择的中间节点将信息转发给目的节点所占用的时间均为(1-α)T/2。在该阶段认为所有中间节点都能成功解码。

第三阶段：从中间节点中选择最优的中继和干扰节点，被选择的中继节点采用解码转发协议向目的节点转发信息，被选择的干扰节点向窃听节点发送干扰信号；

具体过程如下：

步骤1.假设I_m和I_p分别表示中继节点和干扰节点，

和

分别表示中继节点和干扰节点的发射功率，其值由公式3得到：

其中，

表示每个中间节点的发射功率，P₀是每个供电基站的功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)。

步骤2.目的节点的瞬时接收信噪比γ_D和窃听节点的瞬时接收信噪比γ_E分别如公式4和公式5所示：

其中

步骤3.在高信噪比条件下，即ξ＞＞1时，窃听节点处的接收信噪比可近似表示为：

步骤4.信息传输所占时间为1-α，根据安全容量的定义，该网络的安全容量可表示为：

步骤5.将公式4和公式6代入公式7中，计算得到系统的安全容量，然后根据公式8得到系统的安全中断概率：

P_{out_s}＝P_r{C_s＜T_r} (8)

其中，T_r是预先设定的阈值。

将公式7代入公式8中，系统的安全中断概率表示为：

其中，

步骤6，由公式9知，安全中断概率P_{out_s}是关于

和

乘积的单调递减函数，以安全中断概率最小为原则，干扰节点J依据公式10进行选择：

设

则系统的安全容量写为：

步骤7.由公式8可知，最小化安全中断概率等同于最大化系统安全容量，因此，根据公式12来确定中继节点R：

其中，

步骤8.根据公式10和公式12确定干扰节点和中继节点之后，中继节点向目的节点发送消息，干扰节点向窃听节点发送干扰信息。

第四阶段：中继节点向目的节点发送信息之后，目的节点接收信息；系统的安全中断概率如公式13所示：

其中

K_n(·)是贝塞尔函数，其中n＝0,1，...，

λ_PI表示供电基站与中间节点间信道增益的均值，λ_ID表示中间节点与目的节点间信道增益的均值，λ_IE表示中间节点与窃听节点间信道增益的均值。

使用蒙特卡洛仿真对本发明的方法进行100000次以上的独立仿真，测试系统的安全中断概率性能，测试条件为：η＝0.6，λ_PI＝0.1，λ_ID＝2，λ_IE＝1，T_r＝1.25bit/s/Hz，结果如图3、图4和图5所示。

图3是本发明在不同供电基站个数条件下系统安全中断概率随系统信噪比变化的仿真和数值计算对比图。图3给出了系统安全中断概率的数值结果和仿真结果，可以看出两条曲线非常接近，尤其是在高信噪比的时候，这验证了系统安全中断概率表达式推导结果的正确性。从图3还可以看出，随着供电基站个数的增加，系统的安全性能得到了提升。这是因为中间节点有着更大的几率选择更好的供电基站进行能量采集。图4是本发明系统安全中断概率随能量采集系数变化曲线与其它方法的仿真对比图。其中，随机中继最优干扰策略(Random RelayAnd Best Jammer Scheme,RBS)是指选择中间节点与窃听节点之间信道增益最大的中间节点作为干扰节点，中继节点随机选择；最优中继随机干扰策略(BestRelayAnd Random Jammer Scheme,BRS)是指选择中间节点与目的节点之间信道增益最大的中间节点作为中继节点，干扰节点随机选择；最优中继最优干扰策略(Best Relay AndBest Jammer Scheme,BBS)是指分别选择与目的节点之间信道增益最大的中间节点作为中继节点，与窃听节点之间信道增益最大的中间节点作为干扰节点。由图4可以看出，随着能量采集时间的增大，系统的安全中断概率会呈现先减小后增大的趋势。这是因为当能量采集时间较小时，中间节点所获得的能量不足，此时随着能量采集时间的增大，中间节点的能量随之增大从而导致安全中断概率降低。但当能量采集时间较大时，分配给信息传输的时间就会变小，导致目的节点的信噪比减小，安全中断概率随之增大。从图4还可以看出，本发明相比于现有的几种方法，系统的安全性能得到了很大的提升。此外，本发明的安全中断概率曲线与穷举法得到的曲线十分接近，但本发明的复杂度显然更低。图5是本发明在不同能量采集时间的条件下系统安全中断概率随中间节点个数增加的仿真和数值计算对比图。图5给出了当能量采集时间α＝0.2,0.4,0.6时不同中继个数与安全中断概率的关系。能量采集时间的变化所引起的安全性能的变化与图4中的结果相吻合。此外，当中间节点个数增多时，本发明的安全中断概率降低。

Claims (2)

1.一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，其特征在于，具体操作包括如下过程：

首先建立存在多个中间节点的解码转发能量采集网络，该网络包含一个源节点S，一个目的节点D，一个窃听节点E，M+1个中间节点I₁,I₂…I_M+1，以及N个供电基站P₁,P₂...P_N，假设源节点与目的节点之间没有直接通信链路，所有源节点必须依靠中间节点完成信息传输，所有中间节点能够从供电基站所发出的射频信号中进行能量采集，任意两个节点之间的信道系数用h_XY来表示，其中，X∈{P_n,I_i},Y∈{I_i,D,E}，令|h_XY|²＝g_XY，并且接收端噪声为独立的零均值加性高斯白噪声，噪声功率为N₀，整个传输过程包括：

第一阶段：各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集；

所述第一阶段各中间节点选取与其相对应的最优供电基站，并进行能量采集的具体过程如下：

步骤1.最优供电基站的选择，具体选择方法为：各中间节点从自身到各供电基站的信道增益中的选择信道增益最大的一个作为自己的最优供电基站，即

其中，

表示供电基站P_n到各中间节点I_i的信道增益；

步骤2.各中间节点进行能量采集，令能量采集的时间为αT，则其获得的能量如公式2所示：

其中，T表示传输周期，α表示时间切换系数，αT为能量采集时间，P₀是各供电基站的发送功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)；

第二阶段：源节点向中间节点发送信息；

所述第二阶段源节点向中间节点发送信息，具体过程如下：

设每个中间节点采用“采集-使用”模式进行能量的处理，即中间节点采集到的能量不会被存储到节点中而是全都用来进行信息传输；令源节点向中间节点发送信息和被选择的中间节点将信息转发给目的节点所占用的时间均为(1-α)T/2，在该阶段认为所有的中间节点都能成功解码；

第三阶段：从中间节点中选择最优的中继节点和干扰节点，被选择的中继节点采用解码转发协议向目的节点转发信息，被选择的干扰节点向窃听节点发送干扰信号；

所述第三阶段的具体过程如下：

步骤1.假设I_m和I_p分别表示中继节点和干扰节点，

和

分别表示中继节点和干扰节点的发射功率，其值由公式3得到：

其中，

表示每个中间节点的发射功率，P₀是各供电基站的功率，η表示能量转换效率，η∈(0,1)；

步骤2.目的节点的瞬时接收信噪比γ_D和窃听节点的瞬时接收信噪比γ_E分别如公式4和公式5所示：

其中

步骤3.在高信噪比条件下，即ξ＞＞1时，窃听节点处的接收信噪比表示为：

步骤4.令信息传输所占时间为1-α，根据安全容量的定义，该网络的安全容量表示为：

步骤5.将公式4和公式6代入公式7中，计算得到系统的安全容量，然后根据公式8得到系统的安全中断概率：

P_{out_s}＝P_r{C_s＜T_r} (8)

其中，T_r是预先设定的阈值；

将公式7代入公式8中，系统的安全中断概率表示为：

其中，

步骤6.由公式9知，安全中断概率P_{out_s}是关于

和

乘积的单调递减函数，以安全中断概率最小为原则，干扰节点J依据公式10进行选择：

设

则系统的安全容量为：

步骤7.由公式8可知，最小化安全中断概率等同于最大化系统安全容量，因此根据公式12来确定中继节点R：

其中，

步骤8.根据公式10和公式12确定干扰节点和中继节点之后，中继节点向目的节点发送消息，干扰节点向窃听节点发送干扰信息；

第四阶段：目的节点接收信息。

2.如权利要求1所述的一种能量采集物联网系统数据安全传输的方法，其特征在于，所述第四阶段的具体过程如下：

中继节点向目的节点发送信息之后，目的节点接收信息；系统的安全中断概率如公式13所示：

其中

K_n(·)是贝塞尔函数，其中n＝0,1，...，

λ_PI表示供电基站与中间节点间信道增益的均值，λ_ID表示中间节点与目的节点间信道增益的均值，λ_IE表示中间节点与窃听节点间信道增益的均值。

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