CN111404590B - 一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统及其资源分配方法 - Google Patents

一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统及其资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统及其资源分配方法，其中中继节点将接收的信号分成两部分，一部分用于译码，另一部分进行能量收集后用于中继发送。针对在中继协作通信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

一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统及其资源分配 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，其安全性越来越重要。采用应用层加密的传统方法已经无法适应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。
在保证无线携能中继系统通信安全问题的基础上，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。在此背景下，引入安全能效这一指标，能够有效衡量单位能量消耗所带来的安全传输速率。本发明针对安全能效这一目标对通信系统传输方案进行设计，公开了一种通信系统中无线携能中继联合网络的资源分配方法，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、中继节点发送功率和传输时间划分方案。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可被窃听的译码转发中继节点协作的通信系统及其安全效能最大化方法，要解决的技术问题为：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：
一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统，包括信号源(S)、中继节点(R)、目的节点(D)和窃听节点(E)，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中继节点发送的信号。
所述含窃听节点的无线携能中继协作通信系统的通信过程可分为三个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送无线信号以传输能量；第二阶段为信号源向中继节点发送有效信息；第三阶段为中继节点向目的节点发送有效信息。假设三个阶段总时间为T，β(0≤β≤1)为时间划分因子，第一阶段传输时长为βT，后两个阶段传输时长相等，为(1-β)T/2。
第一个阶段信号源向中继节点发送信号，同时，中继节点进行能量收集。中继接收到的总能量表示为
Figure GDA0002487904110000011
其中ξ表示能量转换效率，PS表示信号源的发射功率，vs表示能量吸收速率(即单位时间吸收的能量)。
第二阶段信号源向中继节点发送含有效信息的信号的过程中，s1为信号源在第二个阶段发送的信号，dSR、dRD、dRE分别表示SR、RD、RE之间的距离，α表示路径损失因子，h表示信号源到中继节点的信道，n1表示中继节点接收的白噪声。中继节点的接收信号yR可以表示为
Figure GDA0002487904110000021
中继节点接收到上述信号后，在下一个阶段将译码信号进行发送。
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(1-β)T/2，所以第二阶段传输的发射功率PR为
Figure GDA0002487904110000022
其中E[·]表示数学期望。据此可得到vs和Ps之间的简单线性关系
Figure GDA0002487904110000023
在第三个阶段，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，s2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，gE表示中继节点到窃听节点的信道。nD表示目的节点接收噪声，nE表示窃听节点的接收噪声，在第三阶段，目的节点接收信号yD和窃听节点接收信号yE可以分别表示为
Figure GDA0002487904110000024
Figure GDA0002487904110000025
系统消耗的总功率为
Ptotal＝PC+PS
其中PC表示系统中除了源节点发送以外，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 GDA0002487904110000026
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 GDA0002487904110000031
Figure GDA0002487904110000032
Figure GDA0002487904110000033
其中
Figure GDA0002487904110000034
分别表示噪声n1，nD，nE的噪声功率。
合法传输链路和窃听链路的平均传输速率可以表示为
Figure GDA0002487904110000035
Figure GDA0002487904110000036
安全速率可以表示为
RS＝R-RRE
所以含窃听节点的无线携能中继协作通信系统中安全能效最大化的资源分配问题，可以表示为时间划分因子和能量吸收速率的函数
max U(vS,β)
s.t. 0＜β＜1
0＜vS＜vmax
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ρSR和ρRD的大小关系，当ρSR＝ρRD时，可得到分段点β*。
情况一：
当β∈(0,β*)时，ρSR＞ρRD，原始问题可以转化为
max
Figure GDA0002487904110000037
s.t. 0＜β＜β*
0＜vS＜vmax
此时安全能效对β的偏导数为
Figure GDA0002487904110000038
在正常通信模式下，gD＞gE，因此
Figure GDA0002487904110000039
恒成立，此时安全能效随β单调递增，因此β＝β*为最优值。
安全能效对vS的偏导数为
Figure GDA0002487904110000041
其中，显然
Figure GDA0002487904110000042
因此上式的正负和下面变量X的正负一致。
Figure GDA00024879041100000410
由于X对vS的偏导数为
Figure GDA0002487904110000043
因此X是单调递减，并且
Figure GDA0002487904110000044
可以得到在这种情况下，存在唯一的
Figure GDA0002487904110000045
满足当
Figure GDA0002487904110000046
时，安全能效U单调递增，当
Figure GDA0002487904110000047
时，安全能效U单调递减。通过令X＝0即可以得到最优解
Figure GDA0002487904110000048
的取值。
情况二：
当β∈(β*,1)时，ρSR＜ρRD，原始问题可以转化为
max
Figure GDA0002487904110000049
s.t. β*＜β＜1
0＜vs＜vmax
与情况一类似，此时安全能效对β的偏导数为
Figure GDA0002487904110000051
因此安全能效相对于变量β单调递减，故而当β＝β*时安全能效取到最优值。
安全能效对vS的偏导数为
Figure GDA0002487904110000052
然后，令
Figure GDA0002487904110000053
可以得到
Figure GDA0002487904110000054
以及
Figure GDA0002487904110000055
可以得到在这种情况下，存在唯一的
Figure GDA0002487904110000056
满足当
Figure GDA0002487904110000057
时，安全能效U单调递增，当
Figure GDA0002487904110000058
时，安全能效U单调递减。通过令Y＝0即可以得到最优解
Figure GDA0002487904110000059
的取值。
上述两种情况得到的结论一致，可以得出ρSR＝ρRD时所得β即为最优值β*。采用如下步骤得到含窃听节点的无线携能中继系统资源分配方法：
S101，根据
Figure GDA00024879041100000510
即
Figure GDA00024879041100000511
得β的最优值β*；
S102，初始化
Figure GDA0002487904110000061
从
Figure GDA0002487904110000062
中取值，建议取
Figure GDA0002487904110000063
令k＝1；
S103，选择精度因子δ(如0.001)，定义
Figure GDA0002487904110000064
其中
Figure GDA0002487904110000065
表示偏导符号；
S104，定义
Figure GDA0002487904110000066
更新
Figure GDA0002487904110000067
S105，如果
Figure GDA0002487904110000068
即满足收敛条件，进入S106，否则，k＝k+1，进入S104；
S106，此时β*，
Figure GDA0002487904110000069
即为所求，根据β*，
Figure GDA00024879041100000610
得到Ui。
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
附图说明
图1为本发明含窃听节点的无线携能中继协作通信系统模型图；
图2为本发明含窃听节点的无线携能中继协作通信系统中各时隙传输示意图；
图3为本发明含窃听节点的无线携能中继协作通信系统安全能效最大化流程图；
图4为基于安全效能最大化方法，基于安全速率最大化方法和等时间分配方法下含窃听节点的无线携能中继协作通信系统模型的安全能效对比图。
图5给出了含窃听节点的无线携能中继协作通信系统基于安全效能最大化方法、基于安全速率最大化方法和等时间分配方法在第二种情况下的安全能效对比图
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，一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统，包括信号源(S)、中继节点(R)、目的节点(D)和窃听节点(E)，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中继节点发送的信号。
所述含窃听节点的无线携能中继协作通信系统的通信过程如图2所示可分为三个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送无线信号以传输能量；第二阶段为信号源向中继节点发送有效信息；第三阶段为中继节点向目的节点发送有效信息。假设三个阶段总时间为T，β(0≤β≤1)为时间划分因子，第一阶段传输时长为βT，后两个阶段传输时长相等，为(1-β)T/2。
第一个阶段信号源向中继节点发送信号，同时，中继节点进行能量收集。中继接收到的总能量表示为
Figure GDA00024879041100000611
其中ξ表示能量转换效率，PS表示信号源的发射功率，vs表示能量吸收速率。
第二阶段信号源向中继节点发送含有效信息的信号的过程中，s1为信号源在第二个阶段发送的信号，dSR、dRD、dRE分别表示SR、RD、RE之间的距离，α表示路径损失因子，h表示信号源到中继节点的信道，n1表示中继节点接收的白噪声。中继节点的接收信号yR可以表示为
Figure GDA0002487904110000071
中继节点接收到上述信号后，在下一个阶段将译码信号进行发送。
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(1-β)T/2，所以第二阶段传输的发射功率PR为
Figure GDA0002487904110000072
其中E[·]表示数学期望。据此可得到vs和Ps之间的简单线性关系
Figure GDA0002487904110000073
在第三个阶段，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，s2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，gE表示中继节点到窃听节点的信道。nD表示目的节点接收噪声，nE表示窃听节点的接收噪声，在第三阶段，目的节点接收信号yD和窃听节点接收信号yE可以分别表示为
Figure GDA0002487904110000074
Figure GDA0002487904110000075
系统消耗的总功率为
Ptotal＝PC+PS
其中PC表示系统中除了源节点发送以外，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 GDA0002487904110000076
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 GDA0002487904110000077
Figure GDA0002487904110000078
Figure GDA0002487904110000081
其中
Figure GDA0002487904110000082
分别表示噪声n1，nD，nE的噪声功率。
合法传输链路和窃听链路的传输速率可以表示为
Figure GDA0002487904110000083
Figure GDA0002487904110000084
安全速率可以表示为
RS＝R-RRE
所以含窃听节点的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
max U(vS,β)
s.t. 0＜β＜1
0＜vS＜vmax
结合图3所示，采用如下步骤得到含窃听节点的无线携能中继系统资源分配方法：
S101，根据
Figure GDA0002487904110000085
得β的最优值β*；S102，初始化
Figure GDA0002487904110000086
从
Figure GDA0002487904110000087
中取值，建议取
Figure GDA0002487904110000088
令k＝1；
S103，选择精度因子δ＝0.001，定义
Figure GDA0002487904110000089
其中
Figure GDA00024879041100000810
表示偏导符号；
S104，定义
Figure GDA00024879041100000811
其中
Figure GDA00024879041100000812
表示偏导符号，更新
Figure GDA00024879041100000813
S105，如果
Figure GDA00024879041100000814
即满足收敛条件，进入S106，否则，k＝k+1，进入S104；
S106，此时β*，
Figure GDA00024879041100000815
即为所求，根据β*，
Figure GDA00024879041100000816
得到Ui。
图4给出了含窃听节点的无线携能中继协作通信系统基于安全效能最大化方法和等时间分配方法在第一种情况下的安全能效对比图，图5给出了含窃听节点的无线携能中继协作通信系统基于安全效能最大化方法、基于安全速率最大化方法和等时间分配方法在第二种情况下的安全能效对比图。从两个图中均可以看出，本方法能够有效的提升系统的安全能效。

Claims (1)

1.一种含窃听节点的无线携能中继协作通信系统，其特征在于，包括信号源、中继节点、目的节点和窃听节点，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中继节点发送的信号，所述含窃听节点的无线携能中继协作通信系统的通信过程可分为三个阶段，第一阶段为信号源向中继节点发送无线信号以传输能量；第二阶段为信号源向中继节点发送有效信息；第三阶段为中继节点向目的节点发送有效信息，假设三个阶段总时间为T，β(0≤β≤1)为时间划分因子，第一阶段传输时长为βT，后两个阶段传输时长相等，为(1-β)T/2；
所述含窃听节点的无线携能中继协作通信系统的资源分配方法将资源分配问题表示为时间划分因子和能量吸收速率的函数
Figure FDA0003321005820000011
其中，vs表示能量吸收速率，采用以下步骤求解系统安全能效函数U的最大值：
S101，根据
Figure FDA0003321005820000012
得β的最优值β*；dR，D表示源节点和目的节点之间的距离，α表示路径损失因子，
Figure FDA0003321005820000013
表示目的节点接收噪声的噪声功率；gD表示中继节点到目的节点的信道；ξ表示能量转换效率；
Figure FDA0003321005820000014
表示中继节点接收的白噪声的噪声功率
S102，初始化
Figure FDA0003321005820000015
从
Figure FDA0003321005820000016
中取值，令k＝1；
S103，选择精度因子δ，定义
Figure FDA0003321005820000017
其中
Figure FDA0003321005820000018
表示偏导符号；
S104，定义
Figure FDA0003321005820000019
更新
Figure FDA00033210058200000110
S105，如果
Figure FDA00033210058200000111
即满足收敛条件，进入S106，否则，k＝k+1，进入S104；
S106，此时β*，
Figure FDA00033210058200000112
即为所求，根据β*，
Figure FDA00033210058200000113
得到Ui；
所述Ui即为求解得出的系统安全能效函数U的最大值，利用β*和
Figure FDA00033210058200000114
进行系统资源分配。
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