CN110572871B - 一种含多窃听节点的无线携能中继系统及其资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含多窃听节点的无线携能中继系统及其资源分配方法，其中针对在无线携能中继系统中窃听节点带来的安全隐患，从安全能效最优的角度出发，确定系统的时间分配和能量吸收效率，设计出一种传输资源分配方案。仿真结果表明，利用本发明中的传输资源分配方法，可以显著提高系统安全能效。

Description

一种含多窃听节点的无线携能中继系统及其资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统的安全传输技术领域，特别涉及一种含多窃听节点的无线携能中继系统中资源分配方法，基于安全能效最大化原则，确定系统的时间分配和能量吸收效率。
背景技术
随着无线通信的深入发展，无线通信的安全性越来越重要。传统采用应用层加密的方法已经无法满足日益增长的无线安全需求。在此基础上，利用无线电波本身传输特性的物理层安全技术迎来了巨大发展，即通过某种传输策略，使得潜在窃听节点所接收得到的信号在信息论角度有用信号速率尽可能低。对于无线携能中继系统，除了安全问题，还应考虑能耗问题，通过优化资源分配实现网络整体性能的优化。专利CN104507144B公开了一种无线携能中继联合网络中继选择及资源分配方法，其建模源节点和中继节点联合能效，基于总能效最大化准则联合优化确定源节点、中继节点发送功率、子通道分配、中继节点选择以及中继节点能量采集策略。本发明在携能中继系统中，考虑了物理层安全性问题，在提高系统安全性的同时，力求降低系统的整体能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含多窃听节点的无线携能中继系统及其安全效能最大化方法，解决的技术问题为：为了提高中继节点传输系统的安全性，在基于无线能量传输的中继节点传输系统中，以安全能效为准则进行传输时间和发射功率分配。相比传统的传输方式，该方法可以有效达到单位能量消耗安全速率最大化，提升网络的保密性的同时降低系统能耗。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含多窃听节点的无线携能中继系统，包括信号源(S)、中继节点(R)、目的节点(D)和n个潜在的窃听节点(E1,E2,...,En，n为大于等于1的正整数)，信号源向中继节点发送信号，中继节点向目的节点发送信号，过程中，窃听节点能够接收到信号源发送的信号以及中继节点发送的信号。
所述含多窃听节点的无线携能中继系统的通信过程可分为两个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送信号；第二阶段为中继节点向目的节点发送信号。两个阶段传输时长相等，设为T。
在第一个阶段，信号源向中继节点发送信号的过程中，s为信号源在第一个阶段发送的信号，PS表示信号源的发射功率，h表示信号源到中继节点的信道，nSR表示中继节点接收热噪声。中继节点的接收信号yR可以表示为
Figure GDA0003428466950000021
与此同时，由于无线电波在自由空间传播，潜在的窃听节点也会接收到信号源发送的信号，假设
Figure GDA0003428466950000022
表示信号源到第i个窃听节点的信道，
Figure GDA0003428466950000023
表示第i个窃听节点的接收热噪声。在第一阶段，第i个窃听节点的接收信号
Figure GDA0003428466950000024
可以表示为
Figure GDA0003428466950000025
中继节点接收到上述信号后，将接收到的信号的能量分为两部分：一部分转换为能量存储，用于下一阶段的传输；另一部分用于译码信号，并在下一个阶段将译码信号进行发送。第一部分的能量占比为ρ，则第二部分的能量占比为1-ρ。ξ表示能量转换效率，存储的能量Q可以表示为
Q＝ξPSρ|h|2T
第二阶段中继节点发送所需的能量由第一阶段存储的能量提供，由于第二阶段传输时长为T，所以第二阶段传输的发射功率PR为
Figure GDA0003428466950000026
其中E[·]表示数学期望。
在第二个阶段，即中继节点将所需要传输的信息发送至目的节点的过程中，x表示中继节点发送信号，gD表示中继节点到目的节点的信道，
Figure GDA0003428466950000027
表示中继节点到第i个窃听节点的信道。nRD表示目的节点接收噪声，
Figure GDA0003428466950000028
表示第i个窃听节点的接收噪声，在第二阶段，目的节点接收信号yD和第i个窃听节点接收信号
Figure GDA0003428466950000029
可以分别表示为
Figure GDA00034284669500000210
Figure GDA00034284669500000211
系统消耗的总功率为
Ptotal＝PC+PS
其中PC表示系统中除了射频发送以外，其他辅助模块的电路消耗功率，为定值。
系统安全能效(Secrecy Energy Efficiency,SEE)定义为
Figure GDA00034284669500000212
其中RS为安全速率，定义为目的节点的传输速率和窃听节点传输速率之差(只在大于0时有意义)，本系统中各个传输链路的接收信噪比可以表示为
Figure GDA0003428466950000031
Figure GDA0003428466950000032
Figure GDA0003428466950000033
Figure GDA0003428466950000034
其中
Figure GDA0003428466950000035
分别表示噪声nSR，
Figure GDA0003428466950000036
nRD，
Figure GDA0003428466950000037
的噪声功率。
考虑到多个窃听节点协作窃听，其协作接收的信噪比可以表示为
Figure GDA0003428466950000038
合法传输链路和窃听链路的传输速率可以表示为
Figure GDA0003428466950000039
Figure GDA00034284669500000310
安全速率可以表示为
RS＝R-RE
所以多窃听节点无线携能中继系统中安全能效最大化的资源分配问题，可以表示为
maxU(PS,ρ)
s.t.0＜ρ＜1
0＜PS＜Pmax
由于在安全能效表达式中存在最小值min函数，因此需要分情况讨论资源分配问题的最优解。安全能效表达式中的min函数，其核心是γSR和γRD的大小关系，其分隔点为
Figure GDA00034284669500000311
情况一：
当ρ∈(0,ρ*)时，γSR＞γRD，原始问题可以转化为
Figure GDA00034284669500000312
s.t.0＜ρ＜ρ*
0＜PS＜Pmax
此时安全能效对ρ的偏导数为
Figure GDA0003428466950000041
从上述公式可以看出，此时安全能效随ρ单调递增，因此ρ＝ρ*为最优值。
安全能效对PS的偏导数为
Figure GDA0003428466950000042
其中，显然(PS+PC)2＞0，因此上式的正负和下面变量Y的正负一致。
Figure GDA0003428466950000043
由于Y对PS的偏导数为
Figure GDA0003428466950000044
因此Y是单调递减，并且
Figure GDA0003428466950000045
可以得到在这种情况下，存在唯一的
Figure GDA0003428466950000046
满足当PS＜P*时，安全能效U单调递增，当PS＞P*时，安全能效U单调递减。通过令Y＝0即可以得到最优解
Figure GDA0003428466950000047
的取值。
情况二：
当ρ∈(ρ*,1)时，γSR＜γRD，原始问题可以转化为
Figure GDA0003428466950000051
s.t.ρ*＜ρ＜1
0＜PS＜Pmax
与情况一类似，此时安全能效对ρ的偏导数为
Figure GDA0003428466950000052
因此安全能效相对于变量ρ单调递减，故而当ρ＝ρ*时安全能效取到最优值。
安全能效对PS的偏导数为
Figure GDA0003428466950000053
然后，令
Figure GDA0003428466950000054
可以得到
Figure GDA0003428466950000055
以及
Figure GDA0003428466950000061
可以得到在这种情况下，存在唯一的
Figure GDA0003428466950000062
满足当PS＜P*时，安全能效U单调递增，当PS＞P*时，安全能效U单调递减。通过令Z＝0即可以得到最优解
Figure GDA0003428466950000063
的取值。
上述两种情况得到的结论一致，采用如下步骤得到含多窃听节点的无线携能中继系统资源分配方法：
只有一个中继节点时
S101，初始化P0＝0和P1＝PSmax，PSmax为信号源最大发送功率，
Figure GDA0003428466950000064
定义
Figure GDA0003428466950000065
即f是U关于PS的偏导数；
S102，如果
Figure GDA0003428466950000066
进入S106，否则进入下一步；
S103，
Figure GDA0003428466950000067
S104，如果f(P0)f(P1)＞0，则
Figure GDA0003428466950000068
否则，
Figure GDA0003428466950000069
S105，返回S102；
S106，此时
Figure GDA00034284669500000610
ρ*即为所求
当存在多个中继节点时，可以基于上述单中继的资源分配方案，运用贪婪算法，得到系统资源分配方案。
当有n个中继节点(n＞1)时
S201，初始化U0＝0,i＝1；
S202，根据单一中继节点方法，计算第i个中继单独工作时的系统资源分配方案，得到对应的
Figure GDA00034284669500000611
ρ(i)*，并得到此时的安全能效Ui，具体是执行S101-S106；
S203，如果Ui＞U0，则U0＝Ui，j＝i；
S204，i＝i+1，如果i≤n，返回S202中的S101，否则执行下一步；
S205，最优传输方案为第j个中继单独传输，对应的资源分配系数为
Figure GDA00034284669500000612
ρ(j)*。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：公开了一种包含多窃听节点的无线携能中继系统安全能效最大化的方法，与传统的基于安全速率最大化方法调整的包含多窃听节点的无线携能中继系统相比，基于安全能效最大化方法调整的系统，可以有效达到单位能量消耗安全速率最大化，提升网络的保密性的同时降低系统能耗。
附图说明
图1为本发明含多窃听节点的无线携能中继系统系统模型图；
图2为本发明含多窃听节点的无线携能中继系统安全能效最大化流程图；
图3为只有一个中继节点时，基于安全能效最大化方法和基于安全速率最大化方法调整的含多窃听节点的无线携能中继系统安全能效对比图；
图4为有n个中继节点时，基于安全速率最大化方法调整的含多窃听节点的无线携能中继系统安全能效随中继节点变化图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
结合图1所示，一种含多窃听节点的无线携能中继系统，包括信号源(S)、中继节点(R)、目的节点(D)和n个潜在的窃听节点(E1,E2,...,En，n为大于等于1的正整数)。中继节点接收到信号源信号后，对信号进行处理并发送给目的节点。由于无线信道的广播特性，潜在的窃听节点也会接收到整个传输过程中发送的信号。
整个通信过程可分为两个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送信号；第二阶段为中继节点向目的节点发送信号。两个阶段传输时长相等，设为T。
在第一个阶段，信号源向中继节点发送信号的过程中，s为信号源在第一个阶段发送的信号，PS表示信号源的发射功率，h表示信号源到中继节点的信道，nSR表示中继节点接收热噪声。中继节点的接收信号yR可以表示为
Figure GDA0003428466950000071
与此同时，由于无线电波在自由空间传播，潜在的窃听节点也会接收到信号源发送的信号，假设
Figure GDA0003428466950000072
表示信号源到第i个窃听节点的信道，
Figure GDA0003428466950000073
表示第i个窃听节点窃听节点的接收热噪声。第i个窃听节点的接收信号
Figure GDA0003428466950000074
可以表示为
Figure GDA0003428466950000075
中继节点接收到上述信号后，将接收到的信号的能量分为两部分：一部分转换为能量存储，用于下一阶段的传输；另一部分用于译码信号，并在下一个阶段将译码信号进行发送。第一部分的能量占比为ρ，则第二部分的能量占比为1-ρ。ξ表示能量转换效率，存储的能量Q可以表示为
Q＝ξPSρ|h|2T
第二阶段中继节点发送所需的能量由第一阶段存储的能量提供，由于第二阶段传输时长为T，所以第二阶段传输的发射功率PR为
Figure GDA0003428466950000081
其中E[·]表示数学期望。
在第二个阶段，即中继节点将所需要传输的信息发送至目的节点的过程中，x表示中继节点发送信号，gD表示中继节点到目的接收端的信道，
Figure GDA0003428466950000082
表示中继节点到第i个窃听节点的信道。nRD表示目的接收端接收噪声，
Figure GDA0003428466950000083
表示第i个窃听节点接收噪声，目的接收端接收信号yD和窃听节点接收信号
Figure GDA0003428466950000084
可以分别表示为
Figure GDA0003428466950000085
Figure GDA0003428466950000086
系统消耗的总功率为
Ptotal＝PC+PS
其中PC表示系统中除了射频发送以外，其他辅助模块的电路消耗功率。
系统安全能效(Secrecy Energy Efficiency,SEE)定义为
Figure GDA0003428466950000087
其中RS为安全速率，定义为目的节点的传输速率和窃听节点传输速率之差(只在大于0时有意义)，本系统中各个传输链路的接收信噪比可以表示为
Figure GDA0003428466950000088
Figure GDA0003428466950000089
Figure GDA00034284669500000810
Figure GDA0003428466950000091
其中
Figure GDA0003428466950000092
分别表示噪声nSR，
Figure GDA0003428466950000093
nRD，
Figure GDA0003428466950000094
的噪声功率。
考虑到多个窃听节点协作窃听，其协作接收的信噪比可以表示为
Figure GDA0003428466950000095
合法传输链路和窃听链路的传输速率可以表示为
Figure GDA0003428466950000096
Figure GDA0003428466950000097
安全速率可以表示为
RS＝R-RE
结合图2所示，
采用如下步骤得到含多窃听节点的无线携能中继系统资源分配方法：
只有一个中继节点时
S101，初始化P0＝0和P1＝PSmax，PSmax为信号源最大发送功率，
Figure GDA0003428466950000098
定义
Figure GDA0003428466950000099
即f是U关于PS的偏导数；
S102，如果
Figure GDA00034284669500000910
进入S106，否则进入下一步；
S103，
Figure GDA00034284669500000911
S104，如果f(P0)f(P1)＞0，则
Figure GDA00034284669500000912
否则，
Figure GDA00034284669500000913
S105，返回S102；
S106，此时
Figure GDA00034284669500000914
ρ*即为所求
当存在多个中继节点时，可以基于上述单中继的资源分配方案，运用贪婪算法，得到系统资源分配方案。
当有n个中继节点(n＞1)时
S201，初始化U0＝0,i＝1；
S202，根据单一中继节点方法，计算第i个中继单独工作时的系统资源分配方案，得到对应的
Figure GDA0003428466950000101
ρ(i)*，并得到此时的安全能效Ui，具体是执行S101-S10；
S203，如果Ui＞U0，则U0＝Ui，j＝i；
S204，i＝i+1，如果i≤n，返回S202中的S101，否则执行下一步；
S205，最优传输方案为第j个中继单独传输，对应的资源分配系数为
Figure GDA0003428466950000102
ρ(j)*。
图3给出了只有一个中继节点时，基于安全效能最大化方法和基于安全速率最大化方法调整的多窃听节点无线携能中继系统的安全能效对比图，从图中可以看出，本方法能够有效的提升系统的的安全能效。图4给出了当存在多个无源节点时，基于安全效能最大化方法和基于安全速率最大化方法调整的多窃听节点无线携能中继系统的安全能效随节点数变化曲线。可以看出，随着参与传输的中继节点个数增长，系统的安全能效也会显著提高。

Claims (1)

1.一种含多窃听节点的无线携能中继系统，其特征在于，包括信号源、中继节点、目的节点和n个潜在的窃听节点，E1,E2,...,En，n为大于等于1的正整数，信号源向中继节点发送信号，中继节点向目的节点发送信号，过程中，窃听节点能够接收到信号源发送的信号以及中继节点发送的信号；
含多窃听节点的无线携能中继系统的通信过程可分为两个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送信号；第二阶段为中继节点向目的节点发送信号，两个阶段传输时长相等，设为T；
在第一个阶段，信号源向中继节点发送信号的过程中，PS表示信号源的发射功率，h表示信号源到中继节点的信道，nSR表示中继节点接收热噪声；
与此同时，由于无线电波在自由空间传播，潜在的窃听节点也会接收到信号源发送的信号，假设
Figure FDA0003508080620000011
表示信号源到第i个窃听节点的信道，
Figure FDA0003508080620000012
表示第i个窃听节点的接收热噪声；
中继节点接收到上述信号后，将接收到的信号的能量分为两部分：第一部分转换为能量存储，用于下一阶段的传输；第二部分用于译码信号，并在下一个阶段将译码信号进行发送，第一部分的能量占比为ρ，则第二部分的能量占比为1-ρ，ξ表示能量转换效率，存储的能量Q可以表示为
Q＝ξPSρ|h|2T
第二阶段中继节点发送所需的能量由第一阶段存储的能量提供，由于第二阶段传输时长为T，所以第二阶段传输的发射功率PR为
Figure FDA0003508080620000013
其中E[·]表示数学期望，
在第二个阶段，即中继节点将所需要传输的信息发送至目的节点的过程中，gD表示中继节点到目的节点的信道，
Figure FDA0003508080620000014
表示中继节点到第i个窃听节点的信道，nRD表示目的节点接收噪声，
Figure FDA0003508080620000015
表示第i个窃听节点的接收噪声；
Figure FDA0003508080620000016
分别表示噪声nSR，
Figure FDA0003508080620000017
nRD，
Figure FDA0003508080620000018
的噪声功率；
含多窃听节点的无线携能中继系统的资源分配方法是将多窃听节点无线携能中继系统中安全能效最大化的资源分配问题表示为信号源的发射功率和第一部分的能量占比的函数：
Figure FDA0003508080620000021
其中，PS表示信号源的发射功率；ρ为第一部分的能量占比；
Figure FDA0003508080620000022
为系统安全能效，RS为安全速率，定义为目的节点的传输速率和窃听节点传输速率之差，
RS＝R-RE，
合法传输链路的传输速率：
Figure FDA0003508080620000023
窃听链路的传输速率：
Figure FDA0003508080620000024
系统中各个传输链路的接收信噪比可以表示为：
Figure FDA0003508080620000025
Figure FDA0003508080620000026
Figure FDA0003508080620000027
Figure FDA0003508080620000028
Figure FDA0003508080620000029
Ptotal＝PC+PS为系统消耗的总功率，PC表示系统中除了射频发送以外，其他辅助模块的电路消耗功率，为定值；
采用以下方法求解安全能效的最大值：
只有一个中继节点时，
S101，初始化P0＝0和P1＝PSmax，PSmax为信号源最大发送功率，
Figure FDA00035080806200000210
定义
Figure FDA00035080806200000211
即f是U关于PS的偏导数，其中，
Figure FDA00035080806200000212
为信号源最优发射功率，ρ*中继节点第一部分的能量占比的最优值，U为系统安全能效函数；
S102，如果
Figure FDA0003508080620000031
进入S106，否则进入下一步；
S103，
Figure FDA0003508080620000032
S104，如果f(P0)f(P1)＞0，则
Figure FDA0003508080620000033
否则，
Figure FDA0003508080620000034
S105，返回S102；
S106，此时
Figure FDA0003508080620000035
ρ*即为所求，根据
Figure FDA0003508080620000036
ρ*得到安全能效最大值；
当有n个中继节点(n＞1)时，
S201，初始化U0＝0,i＝1；
S202，根据单一中继节点方法，计算第i个中继单独工作时的系统资源分配方案，得到对应的
Figure FDA0003508080620000037
并得到此时的安全能效Ui，具体是执行S101-S106，
Figure FDA0003508080620000038
表示第i个中继单独工作时信号源最优发射功率，
Figure FDA0003508080620000039
表示第i个中继单独工作时信中继节点第一部分的能量占比的最优值，Ui表示第i个中继单独工作时系统的安全能效函数；
S203，如果Ui＞U0，则U0＝Ui，j＝i；
S204，i＝i+1，如果i≤n，返回S202中的S101，否则执行下一步；
S205，最优传输方案为第j个中继单独传输，对应的资源分配系数为
Figure FDA00035080806200000310
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