CN110324827B - 一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，在时隙

内发射私密信息和能量信息；认知用户ST在时隙

内采用解码转发中继协议协助安全转发授权用户私密信息，同时，认知用户SJ利用能量收割技术收割步骤S1中包含能量的射频谱信号，随后采用协作干扰机制协助授权用户私密信息安全传输；认知用户ST利用剩余时隙T‑t₁发送认知信息给认知接收端SR。认知用户可以为授权用户私密信息的安全传输提供帮助，授权用户可以提升一部分频谱资源给认知传输，从而实现授权用户及认知用户的双赢，从而适应下一代认知无线电网络安全的发展需求。

Description

一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及认知无线电网络安全传输的方案设计，具体涉及一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法。

背景技术

无线通信技术的快速发展带来无线通信设备及服务的大规模提升，导致有限的频谱非常拥挤。然而，传统的固定频谱分配策略用户在时间和空间上对频谱的动态使用，不能充分利用授权频谱。认知无线电技术允许认知用户动态接入网络并有效控制对授权用户网络造成的干扰，从而提升网络的频谱利用率。

由于无线通信网络的广播特性，任何在通信网络传输范围内的用户都可以收到信息，因此无线通信网络面临着窃听的威胁。然而传统的上层密钥加密技术假设窃听节点的计算能力有限，不能应对未来窃听节点硬件发展的威胁。物理层安全技术利用无线信道的物理特征来保护信息，可以很好的满足未来通信网络安全传输需求。在认知无线电网络中，授权用户面临窃听安全威胁，而认知用户缺少频谱资源。因此，认知用户可以为授权用户私密信息的安全传输提供帮助，授权用户可以提升一部分频谱资源给认知传输，因此，通过协作，认知用户和授权用户实现双赢。因此，为了提升授权用户安全性及认知用户的传输速率，本专利提出了一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，保障授权用户安全传输，提升认知用户传输性能，从而适应下一代认知无线电网络的发展需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，认知用户可以为授权用户私密信息的安全传输提供帮助，授权用户可以提升一部分频谱资源给认知传输，从而实现授权用户及认知用户的双赢，从而适应下一代认知无线电网络安全的发展需求。

本发明采用以下技术方案：

一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，包括以下步骤：

S1、在时隙

内发射私密信息和能量信息；

S2、认知用户ST在时隙

内采用解码转发中继协议协助安全转发授权用户私密信息，同时，认知用户SJ利用能量收割技术收割步骤S1中包含能量的射频谱信号，随后采用协作干扰机制协助授权用户私密信息安全传输；

S3、认知用户ST利用剩余时隙T-t₁发送认知信息给认知接收端SR。

具体的，步骤S2中，认知用户SJ接收步骤S1的信息为：

其中，φ是功率分配参数，p_p是PT的发射功率，h_pj是PT到SJ的信道系数向量，w₁是PT发送干扰信息的波束赋形向量，w₂是PT发送授权用户私密信息的波束赋形向量，n_j是SJ的接收噪声，x_j为能量信息且E{|x_j|²}＝1，x_p为授权用户私密信息且E{|x_p|²}＝1，E{·}为期望操作。

进一步的，认知用户SJ采用能量收割机制，获取能量为：

其中，

和

h_pt是PT到SJ的信道系数向量，η是能量转换效率，t₁为用于授权用户私密信息安全传输时间；

认知用户ST接收到授权用户的信息为：

其中，n_t是认知用户ST的接收噪声。

具体的，认知用户ST在认知用户SJ的协作干扰下，采用解码转发机制安全传输授权用户私密信息，授权用户接收端PR接收到信息为：

其中：x_t为认知用户ST转发的授权用户私密信息且E{|x_t|²}＝1，p_s是ST的发射功率，h_tp是认知用户ST到授权用户接收端PR的信道系数，x_a为认知用户SJ发送的协作干扰信息且E{|x_a|²}＝1，p_j是认知用户SJ的发射功率，h_jp是认知用户SJ到授权用户接收端PR的信道系数，n_p是PR的接收噪声。

进一步的，认知用户SJ的能量由能量收割机制得到，则

窃听节点EV收到私密信息为：

其中：h_te是认知用户ST到窃听节点EV的信道系数，h_je是认知用户SJ到窃听节点EV的信道系数，n_e是窃听节点EV的接收噪声。

具体的，步骤S3中，认知用户ST利用信道将认知信息发送给认知接收端SR：

其中：h_tr是ST到SR的信道系数，p_s是ST的发射功率，x_s为认知信息且E{|x_s|²}＝1，n_r是SR的接收噪声。

具体的，授权用户的信息传输速率为C_p＝min(C_pt,C_tp)，PT到ST的私密信息传输速率C_pt为：

其中：N₀为噪声方差；ST到PR的私密信息传输速率C_tp为：

其中：g_tp是ST到PR的信道功率增益，g_jp是SJ到PR的信道功率增益；

EV窃听私密信息，其窃听速率为C_e＝min(C_pt,C_te)；ST到EV的窃听速率C_te为：

其中：g_te是ST到EV的信道功率增益，g_je是SJ到EV的信道功率增益；

安全速率为：

C_s＝(C_p-C_e)⁺＝(min(C_pt,C_tp)-C_te)⁺

其中：(a)⁺＝max(0,a)。

具体的，步骤S3中，认知用户ST利用信道将认知信息发送给SR，其速率为：

其中，T是时隙长度，g_tr是ST到SR的信道功率增益。

具体的，对于授权网络，当传输速率小于目标传输速率R_b时，信息将经历传输中断，其中断概率为：

其中：

λ_tp是ST到PR的信道方差，λ_pt是PT到ST的信道方差，λ_jp是SJ到PR的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差，

当窃听速率大于目标窃听速率R_e时，信息将经历安全中断，其安全中断概率为：

其中，

λ_te是ST到EV的信道方差，λ_je是SJ到EV的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差。

具体的，最大化认知用户的传输速率并满足授权用户安全传输需求的优化问题为：

其中：

为系统最大允许传输中断概率，ξ为系统最大允许安全中断概率；

优化问题转化为：

采用一维搜索得到最优的φ如下：

。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明公开的一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，两个认知用户协助授权用户安全传输并获得频谱机会来传输认知信息。具体来说，本发明所提的安全传输策略分为三个阶段实施。在第一阶段，授权用户发射端PT通过功率分配方法分别传输私密信息和能量信息。在第二个阶段，认知用户ST采用解码转发机制发送授权用户私密信息，认知用户SJ采用能量收割机制收到能量信息，然后传输协作干扰信息以保护授权用户信息安全传输。在第三个阶段，认知用户ST使用频谱发送认知用户信息。对于该方案，我们分析了网络的传输中断概率和安全中断概率，并最优分配时隙及功率以最大化认知用户传输速率。仿真结果表明了认知用户传输速率方面的性能优势。

进一步的，授权用户PT采用功率分配机制分别传输私密信息和能量信息。由于ST可以转发信息，SJ采用能量收割机制收集能量并用于协作干扰。因此私密信息传输方向对准了ST，而能量信息传输方向对准了SJ，从而实现了信息快速传输。

进一步的，ST接收到信息后采用解码转发机制转发私密信息，而SJ利用收集的能量干扰窃听端，从而实现授权用户信息安全传输。

进一步的，最后一个阶段，认知用户可以利用无干扰的频谱实现认知信息可靠传输。

进一步的，通过对授权用户整个传输阶段的分析，得到了授权用户信息传输速率和窃听速率，以便于后面分析及资源分配。

进一步的，根据第三个传输阶段，可以得到认知用户的传输速率。

进一步的，根据窃听编码理，分别得到了授权用户信息的传输中断概率和安全中断概率，并得到了相应的闭式解。

进一步的，通过最大化认知用户传输速率并考虑授权用户的中断性能，本发明最优的分配功率和时隙资源，为网络最优利用资源提供依据。

综上所述，本发明公开的一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，两个认知用户协助授权用户安全传输并获得频谱机会来传输认知信息。对于该方案，通过分析网络的传输中断概率和安全中断概率，并最优分配时隙及功率以最大化认知用户传输速率。仿真结果表明了认知用户传输速率方面的性能优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为协作安全传输方案的系统框图；

图2为协作安全传输方案的时隙图；

图3为认知网络传输速率与参数P_s的关系仿真图；

图4为认知网络传输速率与参数ξ的关系仿真图；

图5为认知网络传输速率与天线数M的关系仿真图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，，考虑一个五节点的传输网络，授权用户发射端PT想要安全可靠地传输信息给授权用户接收端PT，Eve会对PT的传输数据进行窃听。PT具有M根天线。认知用户ST采用解码转发机制发送授权用户私密信息，认知用户SJ采用能量收割机制收到能量信息，然后传输协作干扰信息以保护授权用户信息安全传输。在授权用户传输完毕，认知用户ST使用频谱发送认知用户信息。对于该方案，我们分析了网络的传输中断概率和安全中断概率，并最优分配时隙及功率以最大化认知用户传输速率。仿真结果表明了认知用户传输速率方面的性能优势。

本发明一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，包括以下步骤：

S1、授权用户发射端PT在时隙

内发射私密信息和能量信息给认知用户SJ和ST；

S2、在接收到S1发送的信息后，ST在时隙

内采用解码转发中继协议协助安全转发授权用户私密信息，同时，SJ利用能量收割技术收割S1中射频谱信号包含能量，随后采用协作干扰机制协助授权用户私密信息安全传输；

S3、ST利用剩余时隙T-t₁发送认知信息给认知接收端SR。

在第一个传输阶段，授权用户发射端PT发射私密信息和能量信息给认知用户SJ和ST。认知用户SJ接收步骤S1的信息为：

其中，φ是功率分配参数，p_p是PT的发射功率，h_pj是PT到SJ的信道系数向量，w₁是PT发送干扰信息的波束赋形向量，w₂是PT发送授权用户私密信息的波束赋形向量，n_j是SJ的接收噪声，x_j为能量信息且E{|x_j|²}＝1，x_p为授权用户私密信息且E{|x_p|²}＝1，E{·}为期望操作。

由于x_j和x_p分别能量信息及私密信息，因此，

和

其中，h_pt是PT到SJ的信道系数向量。SJ采用能量收割机制，可以获取能量为：

其中η是能量转换效率，t₁为用于授权用户私密信息安全传输时间。

ST也会接收到授权用户的信息为：

其中，n_t是ST的接收噪声。

在第二个传输阶段，接收到授权用户私密信息后，ST在SJ的协作干扰下，采用解码转发机制安全传输授权用户私密信息，授权用户接收端PR接收到信息为：

其中，x_t为ST转发的授权用户私密信息且E{|x_t|²}＝1，p_s是ST的发射功率，h_tp是ST到PR的信道系数，x_a为SJ发送的协作干扰信息且E{|x_a|²}＝1，p_j是SJ的发射功率，h_jp是SJ到PR的信道系数，n_p是PR的接收噪声。

由于SJ的能量是由能量收割机制得到，则

此时，窃听节点EV也会收到私密信息为：

其中，h_te是ST到EV的信道系数，h_je是SJ到EV的信道系数，n_e是EV的接收噪声。

在第三个传输阶段，认知用户ST利用信道将认知信息发送给SR

其中，h_tr是ST到SR的信道系数，p_s是ST的发射功率，x_s为认知信息且E{|x_s|²}＝1，n_r是SR的接收噪声。

对于授权用户，其信息传输速率为

C_p＝min(C_pt,C_tp)

C_pt为PT到ST的私密信息传输速率为：

其中，N₀为噪声方差。C_tp为ST到PR的私密信息传输速率为：

其中，g_tp是ST到PR的信道功率增益，g_jp是SJ到PR的信道功率增益。

此外，EV也会窃听私密信息，其窃听速率为：

C_e＝min(C_pt,C_te)

C_te为ST到EV的窃听速率为：

其中，g_te是ST到EV的信道功率增益，g_je是SJ到EV的信道功率增益。

根据窃听编码理论，安全速率为：

C_s＝(C_p-C_e)⁺＝(min(C_pt,C_tp)-C_te)⁺

其中，(a)⁺＝max(0,a)

同时，认知用户ST在第三个阶段，利用信道将认知信息发送给SR，其速率为

其中，T是时隙长度，g_tr是ST到SR的信道功率增益。

对于授权网络，当传输速率小于目标传输速率R_b时，信息将经历传输中断，其中断概率为：

其中，

λ_tp是ST到PR的信道方差，λ_pt是PT到ST的信道方差，λ_jp是SJ到PR的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差，

当窃听速率大于目标窃听速率R_e时，信息将经历安全中断，其安全中断概率为：

其中，

λ_te是ST到EV的信道方差，λ_je是SJ到EV的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差。

为了最大化认知用户的传输速率并满足授权用户安全传输需求，本发明形成以下优化问题：

其中，

为系统最大允许传输中断概率，ξ为系统最大允许安全中断概率。

由于

为在每个时隙是确定值，因此优化问题可以转化为：

对于此问题，由于

是t₁的单调减函数，因此存在一个最小的

满足

由于

是t₁的单调增函数，因此存在一个最大的

满足

且

因此t₁的范围为

为了最小化t₁，选择

最优φ可以从以下问题获得如下：

可以采用一维搜索得到最优的φ。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真验证

1)从图3可以看出，认知用户传输速率随授权用户发射功率P_s增大而单调增加。P_s的增加意味着授权用户网络有更多的功率发送私密信息和能量信息。因此ST可以更可靠的解码授权用户信息，SJ可以收集更多能量用于协作干扰。因此，认知用户传输速率随授权用户发射功率P_s增大而单调增加。

当P_s很小时，大量的功率和时隙用来传输授权用户信息，认知用户信息传输速率增长缓慢；

当P_s较大时，分配给认知用户的有限时隙长茺将限制认知用户性能的提高。

此外，在渐近情况下，网络有足够的发射功率使授权用户信息安全传输，因此认知网络分配了更多的功率和时隙，提高二次信息率提高。

而且，通过比较发现，有限的干扰功率会增加一次安全传输的时间，认知用户传输速率提升。在传输的Underlay方案，由于授权网络和认知网络之间不存在协作关系，认知用户传输速率是最低的。

2)在图4给出了认知用户传输速率与传输约束ξ对应关系。在图4中，认知用户传输速率随ξ的增大而提升，因为ξ的增大意味着安全约束降低，授权用户可以分配较少的能量及时隙用于授权用户安全传输，因此，大量的功率和时隙用来传输认知用户信息，认知用户信息传输速率提升。

此外，在渐近情况下，网络有足够的发射功率使授权用户信息安全传输，因此认知网络分配了更多的功率和时隙，提高二次信息率提高。

而且，通过比较发现，有限的干扰功率会增加一次安全传输的时间，认知用户传输速率提升。在传输的Underlay方案，由于授权网络和认知网络之间不存在协作关系，认知用户传输速率是最低的。

图5显示了认知用户传输速率相对于天线数M的关系。当有多个天线时，授权用户网络可以设计更窄的波束赋形矢量来传输私密信息和能量信息，因此，网络可以需要较短的时隙来传输授权用户私密信息，更多的时隙用于传输认知用户信息，认知用户的传输速率将提升。

此外，在渐近情况下，网络有足够的发射功率使授权用户信息安全传输，因此认知网络分配了更多的功率和时隙，提高二次信息率提高。

而且，通过比较发现，有限的干扰功率会增加一次安全传输的时间，认知用户传输速率提升。在传输的Underlay方案，由于授权网络和认知网络之间不存在协作关系，认知用户传输速率是最低的。

本发明为认知无线电网络提供了无线电力与信息联合传输的主要隐私保护，分析了主要信息的可靠性和安全性性能，提出安全传输三个阶段的方案，然后优化通过分配发射功率和时隙，使二次传输速率在基本性能要求下最大化。仿真结果表明，本发明所提方案可以提高二次传输速率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、授权用户发射端PT在时隙

内发射私密信息给认知用户ST，发送能量信息给认知用户SJ；

S2、认知用户ST在时隙

内采用解码转发中继协议协助安全转发授权用户私密信息，同时，认知用户SJ利用能量收割技术收割步骤S1中包含能量的射频谱信号，接收到授权用户私密信息后，认知用户ST在认知用户SJ的协作干扰下，采用解码转发机制安全传输授权用户私密信息；

S3、认知用户ST利用剩余时隙T-t₁发送认知信息给认知接收端SR，t₁为用于授权用户私密信息安全传输时间；T为时隙长度。

2.根据权利要求1所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，步骤S2中，认知用户SJ接收步骤S1的信息为：

其中，φ是功率分配参数，p_p是PT的发射功率，h_pj是PT到SJ的信道系数向量，w₁是PT发送干扰信息的波束赋形向量，w₂是PT发送授权用户私密信息的波束赋形向量，n_j是SJ的接收噪声，x_j为能量信息且E{|x_j|²}＝1，x_p为授权用户私密信息且E{|x_p|²}＝1，E{·}为期望操作。

3.根据权利要求2所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，认知用户SJ采用能量收割机制，获取能量为：

其中，

和

h_pt是PT到SJ的信道系数向量，η是能量转换效率，t₁为用于授权用户私密信息安全传输时间；

认知用户ST接收到授权用户的信息为：

其中，n_t是认知用户ST的接收噪声。

4.根据权利要求3所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，认知用户ST在认知用户SJ的协作干扰下，采用解码转发机制安全传输授权用户私密信息，授权用户接收端PR接收到信息为：

其中：x_t为认知用户ST转发的授权用户私密信息且E{|x_t|²}＝1，p_s是ST的发射功率，h_tp是认知用户ST到授权用户接收端PR的信道系数，x_a为认知用户SJ发送的协作干扰信息且E{|x_a|²}＝1，p_j是认知用户SJ的发射功率，h_jp是认知用户SJ到授权用户接收端PR的信道系数，n_p是PR的接收噪声。

5.根据权利要求4所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，认知用户SJ的能量由能量收割机制得到，则

窃听节点EV收到私密信息为：

其中：h_te是认知用户ST到窃听节点EV的信道系数，h_je是认知用户SJ到窃听节点EV的信道系数，n_e是窃听节点EV的接收噪声。

6.根据权利要求5所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，步骤S3中，认知用户ST利用信道将认知信息发送给认知接收端SR：

其中：h_tr是ST到SR的信道系数，p_s是ST的发射功率，x_s为认知信息且E{|x_s|²}＝1，n_r是SR的接收噪声。

7.根据权利要求6所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，授权用户的信息传输速率为C_p＝min(C_pt,C_tp)，PT到ST的私密信息传输速率C_pt为：

其中：N₀为噪声方差；

ST到PR的私密信息传输速率C_tp为：

其中：g_tp是ST到PR的信道功率增益，g_jp是SJ到PR的信道功率增益；

EV窃听私密信息，其窃听速率为C_e＝min(C_pt,C_te)；ST到EV的窃听速率C_te为：

其中：g_te是ST到EV的信道功率增益，g_je是SJ到EV的信道功率增益；

安全速率为：

C_s＝(C_p-C_e)⁺＝(min(C_pt,C_tp)-C_te)⁺

其中：(a)⁺＝max(0,a)。

8.根据权利要求7所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，步骤S3中，认知用户ST利用信道将认知信息发送给SR，其速率为：

其中，T是时隙长度，g_tr是ST到SR的信道功率增益，N₀为噪声方差。

9.根据权利要求8所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，对于授权用户，当授权用户发射端PT到认知用户ST的私密信息传输速率小于目标传输速率R_b时，信息将经历传输中断，其中断概率为：

其中：

λ_tp是ST到PR的信道方差，λ_pt是PT到ST的信道方差，λ_jp是SJ到PR的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差，

当ST到窃听私密信息EV的窃听速率大于目标窃听速率R_e时，信息将经历安全中断，其安全中断概率为：

其中，

λ_te是ST到EV的信道方差，λ_je是SJ到EV的信道方差，λ_pj是PT到SJ的信道方差。

10.根据权利要求9所述的基于无线信息与功率联合传输的认知安全传输方法，其特征在于，最大化认知用户的传输速率并满足授权用户安全传输需求的优化问题为：

其中：

为系统最大允许传输中断概率，ξ为系统最大允许安全中断概率；

优化问题转化为：

采用一维搜索得到最优的φ如下：

。

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