CN110213762B - 基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，应用在非可信中继网络安全传输系统，所述系统包括一个信源节点S、一个能量受限中继节点R、一个友好型干扰节点FJ，以及K个目的节点D_k(k∈{1,...,K})；系统中所有的节点都配置单根天线，且工作在半双工模式；信源节点到目的节点的信息传输过程在一个时隙T内完成。本发明方法中在协作中继上采用TPSR协议可提高能量采集效率，此外，采用一个外部干扰节点发送人工噪声进行协同干扰和采用机会调度(opportunistic scheduling，OS)策略从多用户分集网络中选择第N^th个最佳的目的节点作为信息接收节点，可以很好评价系统网络的安全传输性能。

Description

基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法。

背景技术

传统的协作中继通信网络中，考虑存在外部窃听节点对系统的干扰，而忽略了系统内部存在的非可信设备，这极大地限制了系统的安全传输性能。同时，现有的文献中，协作通信网络只研究了物理层安全问题，或者是限能节点的无线能量采集，并没有同时研究能量受限非可信中继节点的能量采集和安全通信问题。此外，大多数的通信网络中接收终端一般只有单个目的节点或者是从多用户分集网络中随机选择一个用户作为合法的信息接收端，并没有采用机会式多用户选择方案选择第N^th个最佳目的节点，因此不能很好评价系统网络的安全传输性能。而且，当前的无线能量采用网络中采用线性能量采集方法，其能量采集效率为一个固定常数，并不能很好的描述系统中能量采集电路的非线性特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，保证了信息传输的安全性；提高了信息传输速率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

应用在非可信中继网络安全传输系统，所述系统包括一个信源节点S、一个能量受限中继节点R、一个友好型干扰节点FJ，以及K个目的节点D_k(k∈{1,...,K})；系统中所有的节点都配置单根天线，且工作在半双工模式；信源节点到目的节点的信息传输过程在一个时隙T内完成；传输方法包括：

在第一时隙αT，中继节点将接收的信号功率当中一部分βP_R用于能量采集，剩余的(1-β)P_R用于信息接收；其中P_R表示中继上接收到总信号功率，β表示功率分配系数(0<β<1)，α表示时间切换系数(0<α<1)；

在第二时隙(1-α)T，中继节点利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点；

计算出合法链路和窃听链路的相关信干燥比；

根据合法链路和窃听链路信干噪比，解析出非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率；

在非线性能量采集模型下，最大化非可信中继网络安全传输系统的可达安全速率。

优选的，在第一时隙，R上采集到的总能量E表示为：

E＝η(βP_S|h₀|²+βP_J|g₀|²)αT

其中，η∈(0,1)表示为能量转换效率因子；P_S表示信源传输信息到中继节点的功率；h₀表示S到R之间链路的信道增益；P_J表示友好型干扰节点发送人工噪声降低非可信中继节点的窃听信道容量的功率；g₀表示FJ到R之间链路的信道增益；在不失一般性的情况下，假设时间块T归一化为T＝1；

R接收的信息为：

其中，x_S为S广播的密码信息，x_J为FJ发送的人工噪声信号，n_R为中继上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀。

优选的，在第二时隙(1-α)T，中继节点利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点，具体包括：

在第二时隙，中继节点将接收到的信息以一定的增益系数转发到OS策略选择的目的节点，其发射功率P_T和放大增益G分别表示为：

目的节点接收到中继节点转发的信号为：

其中，h_k表示R到D_k之间链路的信道增益；n_D为目的节点上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀。

优选的，合法链路的相关信干燥比γ_D和窃听链路的相关信干燥比γ_E分别为：

优选的，所述非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率E[R_sec]，表示如下：

E[R_sec]＝E[[C_D-C_R]⁺]

其中，C_D＝(1-α)log₂(1+γ_D)表示合法信道容量，C_R＝(1-α)log₂(1+γ_E)表示窃听信道容量。

优选的，可达安全速率的表示如下：

根据α和β的可行解区域，将安全传输的最优的可达安全速率定义为：

s.t.0<α<1

0<β<1

由于γ_D和γ_E远远大于1，将R_S改写为：

优选的，解析出最优的β和最优的α的方法包括先固定α的值，解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α；由于非可信中继网络安全传输系统网络采用非线性能量采集接收器，则能量采集效率并不是一个固定的常数，而是会随着输入功率的增加而增加，直到到达某一个能量阈值P_th后，能量采集效率会随着输入功率的继续增加而减小，如下：

其中，

表示工作在线性区域的能量采集效率；

解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α，具体包括：

(a)当kβP_R≤P_th时，将P_T代入采集的总能量表达式中，由于已知α的值，且根据对数函数的单调特性，去掉式中(1-α)log，不会改变原目标函数单调性，将P1转换为

将P2简化为：

其中，b₁＝kP_RΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₂＝Ω_jrΩ_rdkP_JP_R，b₃＝1+P_R和b₄＝P_R(kΩ_rd-1)；Ω_sr＝E[|h₀|²]、Ω_jr＝E[|g₀|²]和Ω_rd＝E[|h_k|²]表示平均信道增益，E[H]表示对随机变量H求均值运算；

通过对γ求一阶导数，可得到最优的β^*。则

继续推导出最优的α^*，将γ中所有的β都用β^*(α)代替，然后有：

s.t. 0<α<1

通过Mathematical中的NSolve计算得到最优的α^*；

(b)在kβP_R>P_th时，有

其中，b₅＝P_TΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₆＝P_TΩ_rdP_JΩ_jr和b₇＝P_R+1+P_TΩ_rd，对其一阶求导后可得

利用与(a)中相同的方案即可得到最优的α^*。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，在协作中继上采用时间-功率分配(time-power splitting-based relaying，TPSR)协议可提高能量采集效率；

(2)本发明一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，采用一个外部干扰节点发送人工噪声进行协同干扰和采用OS策略从多用户分集网络中选择第N^th个最佳的目的节点作为信息接收节点，可以很好评价系统网络的安全传输性能；

(3)理想的线性能量采集(energy harvesting，EH)模型的使用将导致系统资源的分配不均和对实际通信系统性能的明显高估，而本发明方法中采用非线性能量采集协议，在功率分配系数不断变化时，非线性EH模型的系统性能比线性EH模型更稳定。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的系统结构模型图；

图2为本发明的时隙结构图；

图3为遍历安全速率在不同的最佳目的节点的传输方案下，对应不同P_s变化趋势；

图4为遍历安全速率在两种不同传输功率下，随K的变化。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明提出一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，应用在非可信中继网络安全传输系统，所述系统包括一个信源节点S、一个能量受限中继节点R、一个友好型干扰节点FJ，以及K个目的节点D_k，其中k∈{1,...,K}；系统中所有的节点都配置单根天线，且工作在半双工模式；信源节点到目的节点的信息传输过程在一个时隙T内完成。

具体的，一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法包括：

步骤a，在第一时隙αT内，信源以功率P_S传输信息到协作中继，同时友好型干扰节点以功率P_J发送人工噪声降低非可信中继节点的窃听信道容量。为了更好地进行能量采集和信息处理，在协作中继上采用时间-功率分配(time-power splitting-based relaying，TPSR)协议，提高能量采集效率。通过该TPSR协议，能量受限中继可同时处理信息和进行能量采集。因此，在第一时隙αT，协作中继将接收的信号功率当中一部分βP_R用于能量采集，剩余的(1-β)P_R用于信息接收，其中P_R表示中继上接收到总信号功率，β表示功率分配系数(0<β<1)和α为时间切换系数(0<α<1)。在第二时隙，协作中继利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发(amplify-and-forward,AF)协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点。

本发明中，所有信道链路均为块衰落瑞利信道，即信道在一个相干时间内保持平稳并且在不同的相干时间相互独立。信道S→R、FJ→R和R→D_k之间链路的信道增益分别表述为h₀、g₀和h_k，且它们都服从均值为零的复高斯随机分布，平均信道增益分别为E[|h₀|²]＝Ω_sr，E[|g₀|²]＝Ω_jr和E[|h_k|²]＝Ω_rd，其中E[H]表示对随机变量H求均值运算。

在第一时隙，R上采集到的总能量表示为：

E＝η(βP_S|h₀|²+βP_J|g₀|²)αT

其中，η∈(0,1)表示为能量转换效率因子；在不失一般性的情况下，假设时间块T归一化为T＝1。同时，R也会进行信息处理。则，R接收的信息为：

其中，x_S为S广播的密码信息，x_J为FJ发送的人工噪声信号，n_R为中继上产生的加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)，噪声方差为N₀。

在第二时隙，协作中继将接收到的信息以一定的增益系数转发到OS(opportunistic scheduling)机会式调度策略的目的节点，其发射功率和放大增益可分别表示为：

由于目的用户接收到协作中继转发的信号中也包含了一部分FJ广播的人工噪声信号，其具体表示为：

其中，x_R＝Gy_R，n_D为目的节点上产生的加性白高斯噪声AWGN，噪声方差为N₀。在传输信息之前，FJ和D_k生成同一组高斯伪随机干扰信号以进行信号同步。然后FJ随机选择一组噪声，并将相对应的索引标发送到D_k，以便消除x_J对目的节点的干扰。与非可信中继不同的是，FJ和D_k都已知发射的噪声信号，所以在协作中继收到了实际的噪声并转发给机会式选择的目的节点后，D_k可利用其先验信息消除干扰信号x_J。因此，可将上式改写为：

步骤b，计算出合法链路和窃听链路的相关信干噪比

传感网络中合法链路和窃听链路的相关信干噪比(signal-to-noise ratio，SNR)：

和

步骤c，根据合法链路和窃听链路信干噪比，解析出安全传输系统的遍历安全速率

并联合合法信道和窃听信道SNR，可推导出遍历安全速率E[R_sec]表达式。则：

E[R_sec]＝E[[C_D-C_R]⁺]

其中，C_D＝(1-α)log₂(1+γ_D)，C_R＝(1-α)log₂(1+γ_E)分别表示合法信道和窃听信道容量。

步骤d，在非线性能量采集模型下，最大化系统的可达安全速率。并针对本发明所构建的最优化问题，给出一种交替优化方案。

具体的，由于系统网络采用非线性能量采集接收器，则能量采集效率并不是一个固定的常数，而是会随着输入功率的增加而增加，直到到达某一个能量阈值P_th后，能量采集效率会随着输入功率的继续增加而减小，如下：

这里的

和η表示为工作在线性区域的能量采集效率。可达安全速率的表达式为：

根据α和β的可行解区域，可将安全传输的最优的可达安全速率定义为：

s.t. 0<α<1

0<β<1

由于R_S表达式中包含了α和β的耦合优化，其最优解的闭合表达式求解过于复杂，可先用高SNR近似将R_S改写为：

为了推导出闭合解析式，基于交替优化的思想先固定α的值，解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α。

d1，在kβP_R≤P_th时，将P_T代入采集的总能量表达式中。由于已知α的值，且根据对数函数的单调特性，去掉式中(1-α)log，也不会改变原目标函数单调性。因此，在简单的代数后可将P1转换为

为了便于观察，先简化P2，如

其中，b₁＝kP_RΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₂＝Ω_jrΩ_rdkP_JP_R，b₃＝1+P_R和b₄＝P_R(kΩ_rd-1)。

通过对γ求一阶导数，可得到最优的β^*。则

接着，继续推导出最优的α^*。将γ中所有的β都用β^*(α)代替，然后有

s.t. 0<α<1

然而，关于α^*的闭合解析式的推导过程过于复杂，并不能通过数学推导求解。因此，可通过Mathematical中的“NSolve”模块的多次计算得到。

d2，同理，在kβP_R>P_th时，有

其中，b₅＝P_TΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₆＝P_TΩ_rdP_JΩ_jr和b₇＝P_R+1+P_TΩ_rd。

对其一阶求导后可得：

利用与d1中相同的方案即可得到关于α^*最优解。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明所提出的一种多用户分集与能量受限的非可信中继结合的两跳链路安全通信网络的传输方案不局限于实施例。

参见图3所示，随着传输功率的不断增加，所设计的安全传输网络方案的的遍历安全性能也会提高。且在传输功率从0增加到15dB时，遍历安全速率在N＝1和N＝5之间性能增益差别不大。

参见图4所示为遍历安全速率随用户分集数目变化的曲线。随着发射功率的增肌，系统的遍历安全性能也会提升。且随着用户数目的持续增加，遍历安全性能会先增加，然后到达一定的功率后增长趋势出现平稳。这主要是因为在多用户分集网络中，无线衰落信道的质量随时间随机变化，且每个衰落信道是相互独立的。在这种情况下，一些用户将拥有比其他用户更好的信道条件。通过OS策略，可选择出信道状况最好的接收用户。

图4所示为考虑的安全传输方案在最优的时间切换系数和功率分配因子下的安全性能分析。从图中可知，在非线性能量采集下，随饱和阈值的增加，最优的安全速率也会增加，直达高于35dB后，最优安全速率会达到一个平衡值。发射功率在不断增加时，系统的安全性能也会提升。且在N＝1时的安全性能明显优于N＝3和N＝5时的安全通信网络。这主要是因为饱和阈值越大，会降低能量采集接收器进入非线性能量采集区域，因此可进行更多的能量采集和获得更高的安全性能。

由上面传输方案的性能分析对比图可知，本发明中所考虑通信网络安全传输方案可获得更加好的安全性能。

以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，其特征在于，应用在非可信中继网络安全传输系统，所述系统包括一个信源节点S、一个能量受限中继节点R、一个友好型干扰节点FJ，以及K个目的节点D_k，k∈{1,...,K}；系统中所有的节点都配置单根天线，且工作在半双工模式；信源节点S到目的节点D_k的信息传输过程在一个时隙T内完成；传输方法包括：

在第一时隙αT，能量受限中继节点R将接收的信号功率当中一部分βP_R用于能量采集，剩余的(1-β)P_R用于信息接收；其中P_R表示能量受限中继节点R上接收到总信号功率，β表示功率分配系数，0<β<1，α表示时间切换系数，0<α<1；

在第二时隙(1-α)T，能量受限中继节点R利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点；

计算出合法链路和窃听链路的相关信干噪比；

根据合法链路和窃听链路的相关信干噪比，解析出非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率；

在非线性能量采集模型下，最大化非可信中继网络安全传输系统的可达安全速率；

在第一时隙，能量受限中继节点R上采集到的总能量E表示为：

E＝η(βP_S|h₀|²+βP_J|g₀|²)αT

其中，η∈(0,1)表示为能量转换效率因子；P_S表示信源节点S传输信息到能量受限中继节点R的功率；h₀表示信源节点S到能量受限中继节点R之间链路的信道增益；P_J表示友好型干扰节点FJ发送人工噪声降低非可信中继节点的窃听信道容量的功率；g₀表示友好型干扰节点FJ到能量受限中继节点R之间链路的信道增益；

能量受限中继节点R接收的信息为：

其中，x_S为信源节点S广播的密码信息，x_J为友好型干扰节点FJ发送的人工噪声信号，n_R为能量受限中继节点R上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀；

在第二时隙(1-α)T，能量受限中继节点R利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点，具体包括：

在第二时隙，能量受限中继节点R将接收到的信息以放大增益G转发到OS策略选择的目的节点D_k，其发射功率P_T和放大增益G分别表示为：

目的节点D_k接收到能量受限中继节点R转发的信号为：

其中，h_k表示能量受限中继节点R到目的节点D_k之间链路的信道增益；n_D为目的节点D_k上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀；

合法链路的相关信干噪比γ_D和窃听链路的相关信干噪比γ_E分别为：

所述非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率E[R_sec]，表示如下：

E[R_sec]＝E[[C_D-C_R]⁺]

其中，C_D＝(1-α)log₂(1+γ_D)表示合法信道容量，C_R＝(1-α)log₂(1+γ_E)表示窃听信道容量；

可达安全速率的表示如下：

根据α和β的可行解区域，将安全传输的最优的可达安全速率定义为：

P1:

s.t.0<α<1

0<β<1

由于γ_D和γ_E远远大于1，将R_S改写为：

解析出最优的β和最优的α的方法包括先固定α的值，解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α；由于非可信中继网络安全传输系统网络采用非线性能量采集接收器，则能量采集效率并不是一个固定的常数，而是会随着输入功率的增加而增加，直到到达某一个能量阈值P_th后，能量采集效率会随着输入功率的继续增加而减小，如下：

其中，

表示工作在线性区域的能量采集效率；

解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α，具体包括：

(a)当kβP_R≤P_th时，将P_T代入采集的总能量表达式中，由于已知α的值，且根据对数函数的单调特性，去掉式中(1-α)log，不会改变原目标函数单调性，将P1转换为

P2:

将P2简化为：

其中，b₁＝kP_RΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₂＝Ω_jrΩ_rdkP_JP_R，b₃＝1+P_R和b₄＝P_R(kΩ_rd-1)；Ω_sr＝E[|h₀|²]、Ω_jr＝E[|g₀|²]和Ω_rd＝E[|h_k|²]表示平均信道增益，E[H]表示对随机变量H求均值运算；

通过对γ求一阶导数，得到最优的β^*，则

继续推导出最优的α^*，将γ中所有的β都用β^*(α)代替，然后有：

P3:

s.t.0<α<1

通过Mathematical中的NSolve计算得到最优的α^*；

(b)在kβP_R>P_th时，有

其中，b₅＝P_TΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₆＝P_TΩ_rdP_JΩ_jr和b₇＝P_R+1+P_TΩ_rd，对其一阶求导后可得

利用与(a)中相同的方案即可得到最优的α^*。

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