CN110087278B - 一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线携能通信安全传输技术领域，公开了一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法；源节点以定功率向所有中继节点广播信号，中继节点从源节点发射的射频信号中进行能量收集作为其后续的发射功率；中继节点对源节点广播的信号进行解码；以最大化中继节点和目的节点之间的信道增益为准则进行中继节点的选择；从剩余的中继节点中，以最大化协作干扰节点和窃听节点之间的信道增益为准则，进行协作干扰节点的选择；被选出的中继节点将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点，被选出的协作干扰节点将干扰信号发送至窃听节点。本发明极大减少了系统开销，改善了系统的安全性能。

Description

一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法
技术领域
本发明属于无线携能通信安全传输技术领域，尤其涉及一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法。
背景技术
物理层安全技术不同于传统的密码技术，它利用无线信道的物理特性，从香农信息论的观点出发，通过降低第三方节点获取的信息量，增强合法节点间的互信息量，实现信息的安全传输。作为实现通信系统安全传输的有效机制，物理层安全技术已受到广泛的关注。
在无线协作网络中，网络中的通信节点通常装备固定的能量供应设备，例如电池。然而，频繁地更换节点电池可能引发高昂的成本，甚至在某些特殊场景下不可实现，严重影响了网络的服务性能及生命周期。针对这一问题，研究者们提出了在射频信号中收集能量，一方面这种能量收集方式具有稳定可控的优点，另一方面，射频信号在携带能量的同时也是信息的载体，即可以利用射频信号进行无线信息和能量的协同传输，在信息传输过程中获取能量的方式被称为无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer,SWIPT)。无线携能通信是无线能量传输与无线信息传输相结合的产物，旨在实现信息与能量的并行传输。这一技术可有效延长网络的生存周期，改善网络的服务性能。
针对无线携能协作网络中的物理层安全问题，已有的研究通过设计节点的功率分配方案、中继选择、添加人工噪声等方法来优化系统的安全传输速率，提升系统的安全性能。
在具有协作干扰的多中继携能协作网络中，中继节点从源节点发送的射频信号中解码信息并从这一射频信号中收集能量作为其后续的发射功率，在下一阶段中继节点既可以作为常规的中继节点向目的节点转发信息，又可以作为协作干扰节点向窃听节点发送干扰信号。与传统的多中继携能协作网络(即携能网络中的中继节点只负责转发信息而不发送协作干扰信号)相比，具有协作干扰的携能协作网络(即携能网络中的中继节点既可以作为常规的中继节点向目的节点转发信息，又可以作为协作干扰节点向窃听节点发送干扰信号)涉及更多的信道状态信息(Channel State Information,CSI)。
随着系统CSI的增多，分析系统安全性能的难度也随之增加。因此现有的针对具有协作干扰的携能协作网络物理层安全的研究仅局限于如何选择合适的中继节点提升系统的保密容量或者如何选择合适的协作干扰节点提升系统的保密容量(仅单方面考虑中继节点的选择或者干扰节点的选择对系统保密容量的影响)，并未综合考虑中继-协作干扰节点的联合选择对系统保密容量的影响。这就导致了基于现有技术选择出的中继或者协作干扰节点并不能显著提升系统的保密容量，无法保证无线携能网络中信息的安全传输，使得信息在传输过程中存在被窃听的风险。
解决上述技术问题的难度：
解决上述问题的难度在于：一方面，不同于传统的无线通信网络，无线携能网络中存在信息和能量的并行传输，因此在研究携能协作网络中的相关问题时需要考虑携能传输这一特性。另一方面，与传统的多中继携能协作网络不同，具有协作干扰的携能协作网络涉及更多的信道状态信息(CSI),为了充分保证无线携能网络中信息的安全传输，需要综合考虑中继-协作干扰节点的联合选择对系统安全性能的影响。
解决上述技术问题的意义：
本发明既充分考虑了无线携能网络的特性，又综合考虑了中继节点及协作干扰节点对系统安全性能的影响，有效解决了上述技术存在的问题。在保证合法链路信道状态尽可能好的情况下使窃听链路的信道状态尽可能差，以此来增大系统的保密容量，改善系统的安全性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明综合考虑中继-干扰节点对系统安全性能的影响，提出了一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法，在保证合法链路信道状态尽可能好的情况下使窃听链路的信道状态尽可能差，以此来增大系统的保密容量，提升系统的安全性能。
本发明是这样实现的，一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法，所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法的源节点以定功率向所有中继节点广播信号，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集作为其后续的发射功率；中继节点对源节点广播的信号进行解码；以最大化中继节点和目的节点之间的信道增益为准则进行中继节点的选择；从剩余的中继节点中，以最大化协作干扰节点和窃听节点之间的信道增益为准则，进行协作干扰节点的选择；被选出的中继节点将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点，被选出的协作干扰节点将干扰信号发送至窃听节点。
进一步，所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法具体包括：
步骤一，源节点S对将要发送的数据进行编码和调制处理后，以定功率PS广播给所有中继节点Rk(k＝1,2,...,K)，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集；
步骤二，中继节点对源节点S广播的信号进行解码；
步骤三，根据中继节点与目的节点D之间的瞬时信道增益hkD进行中继节点的选择；
步骤四，从剩余的中继节点中，根据其与窃听节点E之间的瞬时信道增益hkE进行协作干扰节点的选择；
步骤五，被选出的中继节点R*将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点D，被选出的协作干扰节点J*将干扰信号发送至窃听节点E；
步骤六，目的节点D将R*发送的信号进行解码，完成整个信息的传输过程。
进一步，所述步骤三根据中继节点与目的节点D之间的瞬时信道增益hkD进行中继节点的选择具体选择过程如下：
(1)将中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkD 2；
(2)中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时；
(3)最早倒计时至0的中继节点R*向其他节点广播一个控制报表明中继节点选择完成。
进一步，所述步骤四从剩余的中继节点中，根据其与窃听节点E之间的瞬时信道增益hkE进行协作干扰节点的选择具体选择过程如下：
(1)将剩余所有中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkE|2；
(2)剩余所有的中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时；
(3)最早倒计时至0的中继节点J*向其他节点广播一个控制报表明协作干扰节点选择完成。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法的无线携能通信安全传输系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明基于无线携能协作网络提出了中继-干扰节点联合选择方法，与多个中继均协助源节点进行信息转发不同，这一方法不需要为所有中继分配相互正交的信道以避免中继间的相互干扰，因而极大减少了系统开销，具有较低的复杂度，提高了频谱利用率。
本发明综合考虑了中继节点及协作干扰节点对系统安全性能的影响。首先以最大化中继节点和目的节点之间的信道增益为准则进行中继节点的选择，在此基础上以最大化协作干扰节点和窃听节点之间的信道增益为准则，进行协作干扰节点的选择。在保证合法链路信道状态尽可能好的情况下使窃听链路的信道状态尽可能差，以此来增大系统的保密容量，提升系统的安全性能。当系统的信噪比为30dB时，与随机选择协作干扰的方法(即仅依靠中继对保密容量的影响进行中继的选择，而协作干扰节点随机进行选择)相比，本发明提出的安全传输方法可以使得系统的保密中断概率下降约75％(即安全性能改善约75％)。与随机选择中继的方法(即仅依靠协作干扰节点对保密容量的影响进行协作干扰节点的选择，而中继节点随机进行选择)相比，本发明提出的安全传输方法可以使得系统的保密中断概率下降约90％(即安全性能改善约90％)。
本发明既充分考虑了无线携能网络的特性，又综合考虑了中继节点及协作干扰节点对系统安全性能的影响，在保证合法链路信道状态尽可能好的情况下使窃听链路的信道状态尽可能差。本发明极大减少了系统开销，改善了系统的安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法流程图。
图2是本发明实施例提供的实施例的场景示意图。
图3是本发明实施例提供的安全传输方法与随机中继选择方法，随机干扰选择方法在保密中断性能方面的对比图。
图4是本发明实施例提供的安全传输方法在不同中继节点个数下的保密中断性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在无线通信安全传输领域，物理层安全技术不同于传统的密码技术，它是从信息论的角度出发来保障信息传输的安全。另一方面，在能量受限无线网络中，大多数通信设备装载了储能有限的电池，严重制约了无线网络的生存时间。无线携能通信技术可以利用射频信号进行信息和能量的协同传输，在完成能量传输的同时，实现高效可靠通信。本发明将物理层安全技术和无线携能通信技术相结合，可以有效延长网络的生存周期，改善网络的服务性能，并且实现信息的安全传输。本发明既充分考虑了无线携能网络的特性，又综合考虑了中继节点及协作干扰节点对系统安全性能的影响，提出了中继-干扰节点联合选择方法，在实现信息与能量并行传输的同时，保障信息的安全传输。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法包括：
S101：源节点以定功率向所有中继节点广播信号，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集作为其后续的发射功率；
S102：中继节点对源节点广播的信号进行解码；以最大化中继节点和目的节点之间的信道增益为准则进行中继节点的选择；
S103：从剩余的中继节点中，以最大化协作干扰节点和窃听节点之间的信道增益为准则，进行协作干扰节点的选择；
S104：被选出的中继节点将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点，被选出的协作干扰节点将干扰信号发送至窃听节点。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明使用的具有协作干扰的无线携能中继系统包含一个源节点S，K个中继节点Rk(k＝1,2,...,K)，一个目的节点D，以及一个窃听节点E。中继节点采用解码转发(DF)方式进行信息的转发，中继节点从源节点发射的射频信号中收集能量作为其后续的发射功率，系统的携能传输模式为时间切换(TSR)模式。
本发明实施例提供的具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法具体包括：
步骤一：源节点S对将要发送的数据进行编码和调制处理后，以定功率PS广播给所有中继节点Rk(k＝1,2,...,K)，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集。
步骤二：中继节点对源节点S广播的信号进行解码。
步骤三：根据中继节点与目的节点D之间的瞬时信道增益hkD进行中继节点的选择。具体选择过程如下：
i.将中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkD|2。
ii.中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时。
iii.最早倒计时至0的中继节点R*向其他节点广播一个控制报表明中继节点选择完成。
步骤四：从剩余的中继节点中，根据其与窃听节点E之间的瞬时信道增益hkE进行协作干扰节点的选择。具体选择过程如下：
i.将剩余所有中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkE|2。
ii.剩余所有的中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时。
iii.最早倒计时至0的中继节点J*向其他节点广播一个控制报表明协作干扰节点选择完成。
步骤五：被选出的中继节点R*将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点D，被选出的协作干扰节点J*将干扰信号发送至窃听节点E。
步骤六：目的节点D将R*发送的信号进行解码，完成整个信息的传输过程。
为了验证本发明的性能将通过仿真做进一步说明：
仿真参数设置为：图3中目标保密速率Rs＝1.25bps/Hz，部署的中继节点个数K＝6，能量转换系数η＝0.8，时间切换因子α＝0.4。图4中目标保密速率Rs＝2bps/Hz，部署的中继节点个数分别为K＝3,6,9。
如图3所示，通过保密中断概率分析了本发明的安全性能。从图3中可以看出，随着系统信噪比的不断增大，系统的保密中断概率不断下降，安全性能不断提升。相比于随机干扰选择方法和随机中继选择方法，本发明的安全传输方法对应的系统安全性能最好。这是因为本发明安全传输方法综合考虑了合法链路及窃听链路对系统安全性能的影响，在保证合法链路信道状态尽可能好的情况下使窃听链路的信道状态尽可能差，以此提升系统的安全性能。
图4分析了不同中继节点个数对系统安全性能的影响，通过图4可以看出，随着中继节点个数的增加，系统的保密中断概率变小，系统的安全性能不断提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法，其特征在于，所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法的源节点以定功率向所有中继节点广播信号，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集作为其后续的发射功率；中继节点对源节点广播的信号进行解码；以最大化中继节点和目的节点之间的信道增益为准则进行中继节点的选择；从剩余的中继节点中，以最大化协作干扰节点和窃听节点之间的信道增益为准则，进行协作干扰节点的选择；被选出的中继节点将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点，被选出的协作干扰节点将干扰信号发送至窃听节点；
所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法具体包括：
步骤一，源节点S对将要发送的数据进行编码和调制处理后，以定功率PS广播给所有中继节点Rk,k＝1,2,...,K，中继节点从源节点发射的信号中进行能量收集；
步骤二，中继节点对源节点S广播的信号进行解码；
步骤三，根据中继节点与目的节点D之间的瞬时信道增益hkD进行中继节点的选择；
步骤四，从剩余的中继节点中，根据其与窃听节点E之间的瞬时信道增益hkE进行协作干扰节点的选择；
步骤五，被选出的中继节点R*将源节点发送的信号重新编码后转发至目的节点D，被选出的协作干扰节点J*将干扰信号发送至窃听节点E；
步骤六，目的节点D将R*发送的信号进行解码，完成整个信息的传输过程；
所述步骤三根据中继节点与目的节点D之间的瞬时信道增益hkD进行中继节点的选择具体选择过程如下：
(1)将中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkD|2；
(2)中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时；
(3)最早倒计时至0的中继节点R*向其他节点广播一个控制报表明中继节点选择完成；
所述步骤四从剩余的中继节点中，根据其与窃听节点E之间的瞬时信道增益hkE进行协作干扰节点的选择具体选择过程如下：
(1)将剩余所有中继节点的本地时钟倒计时初始时间设定为：1/|hkE|2；
(2)剩余所有的中继节点同时从各自的初始时间开始倒计时；
(3)最早倒计时至0的中继节点J*向其他节点广播一个控制报表明协作干扰节点选择完成。
2.一种应用权利要求1所述具有协作干扰的无线携能协作网络中的安全传输方法的无线携能通信安全传输系统。
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