CN111356130A - 一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法及系统，包括中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；构建最大化保密率的优化问题，采用迭代收敛优化方法计算所述优化问题的最优解，在得到的最优保密率满足保密率下界的基础上，以该最优保密率进行信息保密传输。通过已知窃听信道估计误差阈值情况下，对保密率最大化，与现有方法相比，本发明不仅考虑了窃听信道状态信息获取非完美性对信息安全传输的影响，同时兼顾了能量受限中继天线资源的复用。

Description

一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信系统技术领域，特别是涉及一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

物理层安全技术(PLS，Physical Layer Security)是保障未来无线通信系统信息安全传输的关键技术。协作中继是物理层安全技术的重要技术手段，其可以借助中继节点构建虚拟多天线(MIMO)系统，为安全通信系统提供更多的空间资源，实现定向信息传输，降低信息泄露。但实际通信中，中继节点可能是蜂窝网络中电池供电的移动用户，因此该节点可能会因为自身有限的能量存储而不能参与协作安全通信。近年来，基于射频(RF，RadioFrequency)信号的能量收割技术受到业界广泛关注。借助该能量收割技术，中继节点可以从信源或通信环境中收割射频信号能量来延长自身寿命，并且实现无线信息与能量同传。

中国专利文献CN 109743729A公开了一种无线携能协作系统的保密传输方法，利用能量分割协议实现中继节点的无线供能，并设计了基于最优能量分割和最优协同干扰功率分配的保密率最大化方案，实现了数据的保密传输。但该专利中无线系统保密性能的增益是基于完美窃听信道状态信息假设的，不能对抗非完美窃听信道状态信息带来的信息泄露问题。

发明人发现，在已有的无线供能通信方案中，大多数工作主要关注点对点或半双工协作安全通信，而无线供能的全双工(FD，Full-duplex)协作中继系统的安全传输问题有待研究；并且现有研究的保密性能的增益大多依赖于完美窃听用户信道状态信息，这仅是非常理想的假设。实际通信系统中，窃听用户为实现有效窃听并不被合法用户发现，经常会保持沉默或隐藏自身存在，并且不会主动反馈或者不会反馈精确窃听信道信息给合法用户，因此合法通信用户很难获得完美窃听信道状态信息。这种不确定性因素会导致严重的信息泄露和系统安全性能的显著降低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法及系统，针对窃听信道状态信息非完美可知的能量受限协作中继系统，理论推导保密率闭式表达式和非完美窃听信道状态信息下的保密率下界，提出基于能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子联合设计的鲁棒安全传输方法，在实现中继无线供能的情况下最大化了系统保密率，实现了信息的安全传输。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，包括：

中继复用所有天线资源接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的优化问题，采用迭代收敛优化方法将该优化问题分解为三个子优化问题并依次计算最优解，在满足迭代算法收敛条件下的最优解基础上，以最优解下获得的最优保密率进行信息保密传输。

第二方面，本发明提供一种无线供能全双工中继协作的保密传输系统，包括无线供能全双工协作中继模型和保密传输模块；

所述无线供能全双工协作中继模型包括信源、合法接收端、中继以及窃听用户；

所述中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

所述中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

所述保密传输模块被配置为根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

所述保密传输模块被配置为根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的目标函数，采用迭代收敛优化方法计算所述目标函数的最优解，以该最优解下获得的最优保密率进行信息保密传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过已知窃听信道估计误差阈值情况下，对保密率最大化，与现有的无线供能安全传输方法相比，本发明的方法不仅考虑了窃听信道状态信息获取非完美性对信息安全传输的影响，同时兼顾了能量受限中继天线资源的复用。

本发明联合能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子建立了系统保密率优化问题，由于多个优化变量相互耦合，该优化问题为非凸问题，难以求解，本发明提出一种迭代优化算法，将多个优化变量分解为多个子优化问题，依次求解，重复以上多个子优化问题求解过程，直至迭代算法收敛。满足收敛条件的子优化问题的解，即为原联合优化问题的解，大大降低了该方法在实际通信中的复杂度，更易于实现。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1提供的方法流程框图；

图2是本发明实施例1提供的两时段SWIPT协议示意图；

图3是本发明实施例1提供的全双工中继节点时分架构示意图；

图4是本发明实施例1提供的关于不同时分因子下系统保密率性能的仿真效果图；

图5本发明实施例1提供的关于不同信噪比下系统保密率性能的仿真效果图；

图6是本发明实施例2提供的无线供能全双工中继协助的安全通信系统示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，具体步骤包括：

S1：中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

S2：中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

S3：根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

S4：根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的优化问题；

S5：将非凸优化问题分解为三个子优化问题，采用迭代收敛优化方法依次计算不同子问题的最优解；

S6：证明迭代算法的收敛性，并将收敛条件下获得的最优解带入传输系统，以该情况下获得的最优保密率进行信息保密传输。

在本实施例中，假设中继仅有有限的能量供给，依靠从信源能量信号中收割能量以实现外部充电。本实施例采用信息能量同传技术(SWIPT,Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer)的时分(TS，Time Switching)模式实现无线能量收割。如图2所示，TS模式下，整个传输时间T分为两个时段。

假设α为时分因子，则第一时段(αT时间内)，信源将能量信号传输到中继，中继采用两根天线进行能量信号接收，并将接收的能量信号进行能量收集，实现中继的能量收割；

第二时段((1-α)T时间内)，在中继的协作下实现全双工的信息传输，由于传输环境的深度衰落影响，信源与目的接收端和窃听用户之间均不存在直接通信链路。

在第一时段，即在所述步骤S1中，中继的接收天线和发射天线都用于收割能量，具体链路链接结构如图3所示。为了充分利用中继可用天线资源来捕获更多能量，本实施例提出天线复用方法，定义一个索引项ζ表明一根或两根天线进行能量收割：ζ＝0只有接收天线进行能量收割，而ζ＝1接收天线和发射天线同时进行能量收割。因此第一阶段中继接收能量信号表示为：

其中，w_H表示能量波束，x_p表示功率为P_s的能量信号，

和

分别是从信源到接收天线和中继点发射天线的瑞利衰落信道系数，

m是路径衰落系数，n_r，H是中继处的加性高斯白噪声；

假设能量收割的δ部分用于中继转发信号，(1-δ)部分将储存在中继中，在能量收割效率为η的情况下，中继可用的转发功率为：

其中，α为时分因子，P_s为信源发送功率，h_r1和h_r2为信源到中继的信道，η表示能量收割效率，0＜η＜1，取决于整流过程和能量收集电路，w_H为能量波束，δ为功率分配因子。此处，本实施例不考虑噪声的功率对收割能量的影响，因为噪声的功率(包括天线噪声和整流噪声)远小于能量信号。

在第二阶段，即在所述步骤S2中，信源在全双工中继的协作下向目的接收端传输一个机密信号，而窃听用户企图窃听信号。在第n个时间块中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，即：

其中，等式右边的第一部分是信息信号，w_s为信息波束，h_r1为信源到中继的信道，第二部分是中继收发天线间的自干扰，f为中继自干扰信道，x_s[n]是信息信号，x_r[n]是干扰信号，最后一部分n_r[n]是方差为N₀的加性高斯白噪声。由于中继可感知自己的信号x_r[n]，可以用干扰消除方法(模拟/数字消除法等)将自干扰降低到一个可接受的范围

消除部分自干扰后信号记为

采用放大转发(AF，Amplify-and-Forward)协议，中继将部分自干扰消除后的接收信号

进行放大处理，然后转发到接收端，其中放大系数β＞0，转发信号为

注意，由于处理延迟相对较小，因此在以下操作中忽略处理延迟。

因此，合法接收端和窃听用户接收到的信号分别表示为：

其中，h₂表示中继到合法接收端信道，g为中继到窃听用户信道，h_r1为信源到中继接收天线的信道，

为残差干扰信道，w_s为信息波束，

是残差干扰信号，n_r[n]是方差为N₀的加性高斯白噪声，n_d和n_e都是均值为0、方差为N₀的加性高斯白噪声，β为中继放大系数，

P_s为信源发送功率，P_r为中继可用的转发功率。

因此，接收端和窃听用户接收到的信息速率可以表示为：

其中k＝ηα/(1-α)，并且

所述步骤S3中：在仅有窃听用户信道统计分布信息可知的情况下，选取遍历保密率作为安全性能指标，即：

其中，窃听用户平均信噪比的精确解析表达式为：

由于遍历保密率表达式为积分形式，难以计算和优化，本实施例采用其近似下界作为替代。利用詹森不等式(Jensen’sinequality)，在秩为1的中继波束矩阵约束下，保密率近似下界为：

其中，窃听SINR：

所述步骤S4中，在最大化系统保密率性能的目标下，建模能量波束、信息波束、时分因子和功率分配因子联合优化问题，即：

其中，w_H为能量波束、w_s为信息波束、α为时分因子、δ为功率分配因子，

为保密率下界。

由于波束矢量w_H，w_s与时分因子α和功率分配因子δ是相互耦合的，所提出的优化问题是非凸的，难以同时求解多个变量(w_H，w_s，α，δ)。本实施例提出了一种迭代优化算法，将目标函数问题分解为三个子问题，并依次迭代求解。

具体步骤如下：

(1)能量波束和功率分配因子设计。给定信息波束w_s和时分因子α，建立能量波束w_H和功率分配因子δ联合优化子函数，即：

s.t.||w_H||²＝1，0＜δ≤1；

利用矩阵

的最大特征值λ_max对应的单位特征矢量q^unit，求得

且δ＝min{1，μ/λ_max}；

根据自干扰是否完全消除，μ有两种不同的表达方式。当自干扰完全消除时，

否则利用数值求解方法获得最优μ的数值。

(2)信息波束形成设计。在步骤(1)求得的(w_H，δ)和给定的时分因子α条件下，建立信息波束优化子函数，即

s.t.||w_s||²≤1；

利用多输入单输出MISO系统通信特性，借助最大比合并传输方法，求得信息波束的解为

(3)时分因子设计。在步骤(1)和步骤(2)求解变量条件下，建立时分因子优化子函数，即

s.t.0＜α＜1，该优化子问题目标函数是时分因子的凹函数，因此在α∈(0，1)始终存在唯一最优解，本实施例采用牛顿法获得该数值解。

(4)理论证明迭代算法收敛性。具体方法如下：所提算法每次迭代获得保密率

不减，加之信源功率有限，则存在可达保密率的收敛上限。将迭代收敛的最优解带入传输系统，进行信息的安全传输。

如图4和图5所示，为本实施例提出的无线供能全双工中继使能的鲁棒安全传输方法的安全性能效果图。由图4可以看出，存在唯一一个最优的时分因子使得保密率性能最大，证明了本实施例理论分析的正确性；此外，本实施例所提优化方案得到的最优时分因子与仿真结果重合，说明了所提设计方案的最优性。在时分因子较小区域，中继天线复用方案，即两根空闲天线均用于能量收割，天线性能优于仅采用单天线能量收割方案。

图5表示系统保密率随系统信噪比P_s/N₀变化的效果图。首先，对比天线复用方案和单天线能量收割方案，图5可以得出与图4相同的结论，本实施例提出的天线复用方案可以获得更优越的保密性能。其次，随着P_s/N₀的增加，中继收割能量增加，这使得中继协助转发信息的能量增加，进而带来保密率性能的大幅提升。对比不同窃听用户位置对保密性能的影响，显然当窃听用户位置距离中继越远，保密率性能越好。原因在于窃听用户距离中继越远，其可从中继接收到的信号强度越小，信息泄露降低，因此保密率性能得以提升。

本实施例通过已知窃听信道估计误差阈值情况下，对保密率最大化，与现有的无线供能安全传输方法相比，不仅考虑了窃听信道状态信息获取非完美性对信息安全传输的影响，同时兼顾了能量受限中继天线资源的复用。

实施例2

本实施例提供一种无线供能全双工中继协作的保密传输系统，如图6所示，包括无线供能全双工协作中继模型和保密传输模块；

所述无线供能全双工协作中继模型包括信源、合法接收端、中继以及窃听用户；

所述中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

所述中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

该系统中，信源配有N根天线，为多天线信源；所有的接收端，合法接收端和窃听用户，由于终端空间限制均只配有一根天线，为单天线接收端和一个单天线窃听用户；中继采用配有两天线的全双工协作中继，为了实现全双工操作，中继的两根天线，一根用于信息接收，一根用于信息转发。

信源在全双工中继的协作下向目的接收端传输一个机密信号，而窃听用户企图窃听信号。若移动终端作为中继节点，则为有限能量存储的电池供电，限制了协作传输的性能提升。另外，窃听用户为保护自身窃听行为不被暴露，一般选择保持沉默或隐藏起来，不会主动协助合法通信用户获取其信道状态信息。因此，窃听用户信道的非完美性也是信息泄露的严重威胁。本实施例中，信源在全双工中继的协助下与目的接收端进行通信，在通信范围内存在一个潜在窃听用户企图窃听隐私信息。

本实施例中，中继采用放大转发中继模式协助隐私信息的安全传输。与解码转发(DF，Decode-and-Forward)模式相比，放大转发模式不需要解码和再编码信息，因此中继的操作具有较低的复杂性。另外，本实施例假设中继仅有有限的能量供给，依靠从信源能量信号中收割能量以实现外部充电。

所述保密传输模块被配置为根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的目标函数，采用迭代收敛优化方法计算所述目标函数的最优解，在得到的最优保密率满足保密率下界的基础上，以该最优保密率进行信息保密传输。

本实施例通过已知窃听信道估计误差阈值情况下，对保密率最大化，与现有的无线供能安全传输方法相比，不仅考虑了窃听信道状态信息获取非完美性对信息安全传输的影响，同时兼顾了能量受限中继天线资源的复用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，包括：

中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的优化问题，采用迭代收敛优化方法将该优化问题分解为三个子优化问题并依次计算最优解，在满足迭代算法收敛条件下的最优解基础上，以最优解下获得的最优保密率进行信息保密传输。

2.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，在能量收割效率为η的情况下，中继的转发功率为：

其中，α为时分因子，P_s为信源发送功率，h_r1和h_r2为信源到中继的信道，η表示能量收割效率，0＜η＜1，w_H为能量波束，δ为功率分配因子。

3.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，在第n个时间块中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，即：

其中，w_s为信息波束，h_r1为信源到中继的信道，f为中继自干扰信道，x_s[n]是信息信号，x_r[n]是干扰信号，n_r[n]是方差为N₀的加性高斯白噪声；

采用放大转发协议，接收中继放大系数β，将携带隐私信号的信息转发到合法接收端。

4.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，合法接收端和窃听用户接收到的信息分别表示为：

其中，h₂表示中继到合法接收端信道，g为中继到窃听用户信道，h_r1为信源到中继接收天线的信道，

为残差干扰信道，w_s为信息波束，

是残差干扰信号，n_r[n]是方差为N₀的加性高斯白噪声，n_d和n_e都是均值为0、方差为N₀的加性高斯白噪声，β为中继放大系数，

P_s为信源发送功率，P_r为中继可用的转发功率。

5.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，在仅有窃听用户信道统计分布信息可知的情况下，选取遍历保密率作为安全性能指标，即

利用詹森不等式，在秩为1的中继波束矩阵约束下，保密率近似下界为：

6.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，所述目标函数为：

其中，w_H为能量波束、w_s为信息波束、α为时分因子、δ为功率分配因子，

为保密率下界。

7.如权利要求1所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，采用迭代收敛优化方法计算目标函数，具体过程包括：

给定信息波束w_s和时分因子α，建立能量波束w_H和功率分配因子δ联合优化子函数，即

s.t. ||w_H||²＝1，0＜δ≤1；

利用矩阵

的最大特征值λ_max对应的单位特征矢量q^unit，求得

且δ＝min{1，μ/λ_max}；

当自干扰完全消除时，

否则利用数值求解方法获得最优μ的数值。

8.如权利要求7所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，在求得的(w_H，δ)和给定的时分因子α条件下，建立信息波束优化子函数，即

s.t.||w_s||²≤1；

利用多输入单输出MISO系统通信特性，借助最大比合并传输方法，求得信息波束的解为

9.如权利要求8所述的一种无线供能全双工中继协作的保密传输方法，其特征在于，建立时分因子优化子函数，即

s.t.0＜α＜1，时分因子优化子函数是时分因子的凹函数，在α∈(0，1)始终存在唯一最优解，采用牛顿法求得该最优解。

10.一种无线供能全双工中继协作的保密传输系统，其特征在于，包括无线供能全双工协作中继模型和保密传输模块；

所述无线供能全双工协作中继模型包括信源、合法接收端、中继以及窃听用户；

所述中继接收由信源发送的能量信号，进行能量的收割；

所述中继接收由信源发送的携带隐私信号的信息，利用收割的能量将信息转发至合法接收端，且窃听用户接收该信息；

所述保密传输模块被配置为根据合法接收端和窃听用户接收的信息计算非完美窃听信道状态下的保密率下界；

所述保密传输模块被配置为根据能量波束、信息波束、时分因子、功率分配因子构建最大化保密率的目标函数，采用迭代收敛优化方法计算所述目标函数的最优解，以该最优解下获得的最优保密率进行信息保密传输。

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