CN117082525A - 一种基于noma的认知携能通信的物理层保密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法，第一时隙认知源节点利用最大比值合并的方式采集周围无线能量站的能量；第二时隙认知源节点采用NOMA技术将叠加信号分别发送给认知目的节点，此时无线网络中的主动窃听节点不仅会非法窃取认知源节点发送的信号，同时也会释放干扰信号以降低认知目的节点的接收信干噪比；接着合法的认知目的节点和窃听节点分别根据接收到的信干噪比计算有效的安全吞吐量。本发明通过能量采集技术解决了认知通信中的能量供给问题，同时结合NOMA技术显著提升了无线通信的安全传输性能，有助于解决实际的认知无线通信场景中存在主动窃听节点所带来的的安全隐患问题。

Description

一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法

技术领域

本发明涉及一种认知携能通信的物理层保密方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，无线网络对频谱效率、能量效率以及安全性的要求越来越高。认知无线电技术允许非授权用户动态接入授权频段以实现信息的传递。利用非正交多址NOMA(Non-orthogonal multiple access)技术可以在认知无线电技术的基础之上实现大规模连接，从而进一步提高无线网络的频谱利用率。物联网技术的普及加快了无线设备互联互通的步伐。但是，在一些特定的通信场景中，无线终端很难获得稳定可靠的主电源供给，这就会降低用户的通信服务质量。而能量采集技术可以使得配备能量采集装置的无线终端从周围的环境中获取能量，比如风能、太阳能、潮汐能以及无线电信号自身携带的能量，有望解决无线终端的能量供给问题，提高无线终端的续航能力，显著改善用户的服务体验。然而，由于无线信道的广播特性，无线通信通常会面临信息泄露的风险。物理安全技术可以充分利用无线信道的物理特性来抵御非法用户的窃听攻击。利用物理层安全技术有望从根本上防御非法用户的窃听攻击。

在现有的无线通信物理层安全研究中，广泛考虑的是被动窃听。而在实际的场景中，非法用户为了获取机密信息，同时降低合法用户通信的可靠性，往往也会释放噪声信号干扰合法用户，这类窃听通常被称为主动窃听。为此，如何对抗主动窃听引起的安全隐患成为了我们需要解决的技术问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法，既考虑到实际场景中存在主动窃听的方式，也不需要知道窃听信道的信道状态信息，能够以较小的代价来最大化无线安全传输性能。

技术方案：一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法，所述方法所应用的系统包括至少两个无线能量站、一个认知源节点、一个主目的节点、两个认知目的节点以及一个主动窃听节点，所述方法包括如下步骤：

第一时隙，认知源节点利用最大比值合并的方式采集周围无线能量站的能量，最终得到的能量为其中α为能量采集的时间分配因子，T为完成信息传输的总时间，η为能量转换系数，P_p为无线能量站的发射功率，h_is为第i个无线能量站到认知源节点之间的瞬时信道增益系数，N为无线能量站总数；

第二时隙，认知源节点在保证主目的节点通信服务质量的情况下采用NOMA技术发送叠加的无线信号给两个认知目的节点；其中，a_n和a_f分别表示分配给近认知目的节点和远认知目的节点的功率系数且满足a_f＞a_n和a_n+a_f＝1，x_n和x_f分别表示发送给近认知目的节点和远认知目的节点的无线信号，/>表示认知源节点的发射功率，其中P_p为无线能量站的最大发射功率，I为主目的节点所能容忍的最大干扰门限，h_sp和h_ep分别表示认知源节点、主动窃听节点与主目的节点的信道增益系数；

此时主动窃听节点不仅会非法窃取认知源节点发送的无线信号，也会释放干扰信号以降低合法目的节点的信干噪比，其中/>表示主动窃听节点的发射功率，x_e表示主动窃听节点产生的干扰信号；

接着认知目的节点根据信干噪比计算得出近认知目的节点和远认知目的节点的有效安全吞吐量。

进一步的，所述有效安全吞吐量的计算方法包括：

1)近认知目的节点对发送给远认知目的节点的信号x_f进行译码，信干噪比为其中h_sn和h_en分别表示认知源节点和主动窃听节点到近认知目的节点之间的瞬时信道增益系数，N₀表示加性高斯白噪声的功率；近认知目的节点解码信号x_n的信干噪比为/>远认知目的节点解码信号的信干噪比为其中h_sf和h_ef分别表示认知源节点和主动窃听节点到远认知目的节点之间的瞬时信道增益系数；主动窃听节点先对信号x_f进行解码，信干噪比为其中h_se表示认知源节点到主窃听节点间的瞬时信增益系数，h_ee为主窃听节点的自干扰系数；主窃听节点对信号x_n进行解码时，信干噪比为

2)根据信干噪比计算近认知目的节点和远认知目的节点的有效安全吞吐量EST_n、EST_f分别为：

其中，R_s和R_o分别表示安全速率和传输速率，Pr表示概率。

有益效果：1.认知源节点通过最大比值合并的方法采集能量能最大化获取的能量，能有效提高无线系统的有效安全吞吐量，提升信息传输的安全性。

2.将认知无线电技术、NOMA技术和能量采集技术相结合，可以显著提升系统的频谱效率，同时也能解决无线终端的能量供给问题。

3.考虑主动窃听的方式，更符合实际的通信场景，并且能为研究无线通信的安全性问题提供理论基础。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法所应用的系统模型图；

图2为本发明实施例一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法的流程图；

图3为图1中的实施例能量站的数量对有效安全吞吐量的影响；

图4为图1中的实施例能量采集时隙对有效安全吞吐量的影响；

图5为图1中的实施例能量转化效率对有效安全吞吐量的影响。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本实施例系统模型包含了3个无线能量站PB₁～PB₃，1个认知源节点CS，2个认知目的节点包括1个近认知目的节点CN和1个远认知目的节点CF，1个主动窃听节点E和一个主网络中的主目的节点PD。由于本发明考虑的主动窃听，窃听节点E可以发送干扰信号以降低认知目的节点的信干噪比。为了保证主用户即主目的节点PD的通信服务质量，认知源节点CS和主动窃听节点E的发射功率受到主目的节点PD干扰门限的限制。

本实施例的流程如图2所示，具体过程如下：

1)认知源节点CS在发送数据信息前，通过配备的无线能量采集器从能量站PB₁～PB₃处无线获取能量，这样可以有效解决认知源节点CS的能量供给问题。所以最终可以得到的能量为其中0＜α＜1表示能量采集的时间分配因子，0＜η≤1表示能量转化效率，T为完成信息传输的总时间，P_p表示能量站的发射功率，h_is表示能量站PB_i到认知源节点CS之间的瞬时信道增益系数，i＝1,2,3。

2)剩下的(1-α)时隙为信息发送阶段，假设认知源节点CS发送的数据信号其中a_n和a_f分别表示近认知目的节点CN和远认知目的节点CF的功率分配系数，x_n和x_f分别表示发送给近认知目的节点CN和远认知目的节点CF的数据信息，P_s表示认知源节点CS的发射功率；主动窃听节点E发送的干扰信号为/>其中P_e表示主动窃听节点E的发射功率，x_e表示主动窃听节点E产生的干扰信号。在保证不影响主用户通信服务质量的前提下，认知源节点CS和主动窃听节点E的发射功率分别为和/>其中h_sp和h_ep分别表示认知源节点CS和主动窃听节点E到主目的节点PD之间的瞬时信道增益系数，I表示主目的节点PD可容忍的最大干扰门限。

3)认知源节点CS和主动窃听节点E发送步骤2)中的信号，相应的近认知目的节点CN对信号x_f进行译码，所得的信干噪比为其中h_sn和h_en分别表示认知源节点CS和主动窃听节点E到近认知目的节点CN间的瞬时信道增益系数，N₀表示加性高斯白噪声的功率；当近认知目的节点CN成功译码信号x_f时，可将该信号减掉，进一步译码目标信号x_n，此时信干噪比为/>远认知目的节点CF解码目标信号x_f的信干噪比为/>其中h_sf和h_ef分别表示认知源节点CS和主动窃听节点E到远认知目的节点CF之间的瞬时信道增益系数；主动窃听节点E对x_f进行解码，信干噪比为/>其中h_se表示认知源节点CS到主动窃听节点E间的瞬时信增益系数，h_ee为主动窃听节点E的自干扰系数；主动窃听节点E对x_n进行解码时，信干噪比为/>

4)根据步骤3各节点得到的信干噪比，分别求出近认知目的节点CN和远认知目的节点CF处的有效安全吞吐量EST_n、EST_f为：

其中，R_s和R_o分别表示安全速率和传输速率，Pr表示概率。

下面给出在计算机上利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例。在仿真中设定所有的无线信道h_g独立同分布且是Nakagami-m衰落，信道参数为m_g，平均信道增益为Ω_g，其中，g∈(is,sp,ep,sn,en,sf,ef,se,ee)，各节点处的噪声是均值为0，方差为N₀的平稳高斯白噪声。给定m_sn＝m_se＝m_en＝m_sp＝m_is＝2，m_sf＝4，m_ef＝3，m_ee＝m_ep＝1，Ω_sn＝Ω_is＝1，Ω_sf＝Ω_en＝Ω_ef＝0.5，Ω_sp＝0.2，Ω_se＝Ω_ee＝Ω_ep＝0.1，R_o＝0.5，R_s＝0.3，a_f＝0.8，a_n＝0.2，N₀＝0dBm和I＝10dBm。

图3为能量站的不同发射功率P_p对应的有效安全吞吐量曲线图；从图3可知，当发射功率增加时，在认知携能无线系统中，近认知目的节点CN和远认知目的节点点CF的有效安全吞吐量均随发射功率的增加而增加，这表明安全性能越来越好；而当发射功率增加到一定程度时，认知目的节点受到的干扰也很大，此时功率增大对信干噪比带来的收益和产生的干扰相互平衡，因此有效安全吞吐量趋于定值。图3表明增加认知源节点CS可采集的能量站数，认知目的节点可得到的有效安全吞吐量越大。另外，图3表明相比于传统的OMA技术，在认知携能通信中利用NOMA技术可以显著提高认知无线通信的有效安全吞吐量，改善无线传输的安全性能。在实际的通信场景中，可能会出现主动窃听者来非法获取认知源节点发送的数据信息，同时也会产生干扰信号降低目的节点的信干噪比。因此，为了能更好地对抗主动窃听者的非法攻击，可以在认知携能系统中采用NOMA技术来进行信息收发。

图4为不同能量采集的时间分配因子α对应的有效安全吞吐量曲线图；从图4可知，当能量采集的时间分配因子α增加时，认知源节点CS所获取的能量也相应地增加，因此通信系统中的两个认知目的节点的有效安全吞吐量都相应地增加；当能量采集的时间分配因子α增加到一定程度时，用于信息传输的时间很少，所以相应的信道容量降低，最终导致有效安全吞吐量降低直至为0。另外，图4表明，可以通过调节能量采集的时间分配因子α获得最佳的有效安全吞吐量，最优化基于NOMA的认知携能通信系统的安全性。图5为不同能量转化效率对应的有效安全吞吐量曲线图；从图5可得，认知目的节点的有效安全吞吐量随着能量转化效率η的增加而增加，这是因为η增加，认知源节点可以获取更多的有效能量来发送数据信息，因此认知携能通信的安全性越来越高；当η增加到一定程度时，有效的安全吞吐量趋于平缓。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法，其特征在于，所述方法所应用的系统包括至少两个无线能量站、一个认知源节点、一个主目的节点、两个认知目的节点以及一个主动窃听节点，所述方法包括如下步骤：

第一时隙，认知源节点利用最大比值合并的方式采集周围无线能量站的能量，最终得到的能量为其中α为能量采集的时间分配因子，T为完成信息传输的总时间，η为能量转换系数，P_p为无线能量站的发射功率，h_is为第i个无线能量站到认知源节点之间的瞬时信道增益系数，N为无线能量站总数；

第二时隙，认知源节点在保证主目的节点通信服务质量的情况下采用NOMA技术发送叠加的无线信号给两个认知目的节点；其中，a_n和a_f分别表示分配给近认知目的节点和远认知目的节点的功率系数且满足a_f＞a_n和a_n+a_f＝1，x_n和x_f分别表示发送给近认知目的节点和远认知目的节点的无线信号，/>表示认知源节点的发射功率，其中P_p为无线能量站的最大发射功率，I为主目的节点所能容忍的最大干扰门限，h_sp和h_ep分别表示认知源节点、主动窃听节点与主目的节点的信道增益系数；

此时主动窃听节点不仅会非法窃取认知源节点发送的无线信号，也会释放干扰信号以降低合法目的节点的信干噪比，其中/>表示主动窃听节点的发射功率，x_e表示主动窃听节点产生的干扰信号；

接着认知目的节点根据信干噪比计算得出近认知目的节点和远认知目的节点的有效安全吞吐量。

2.根据权利要求1所述的基于NOMA的认知携能通信的物理层保密方法，其特征在于，所述有效安全吞吐量的计算方法包括：

1)近认知目的节点对发送给远认知目的节点的信号x_f进行译码，信干噪比为其中h_sn和h_en分别表示认知源节点和主动窃听节点到近认知目的节点之间的瞬时信道增益系数，N₀表示加性高斯白噪声的功率；近认知目的节点解码信号x_n的信干噪比为/>远认知目的节点解码信号的信干噪比为其中h_sf和h_ef分别表示认知源节点和主动窃听节点到远认知目的节点之间的瞬时信道增益系数；主动窃听节点先对信号x_f进行解码，信干噪比为其中h_se表示认知源节点到主窃听节点间的瞬时信增益系数，h_ee为主窃听节点的自干扰系数；主窃听节点对信号x_n进行解码时，信干噪比为

2)根据信干噪比计算近认知目的节点和远认知目的节点的有效安全吞吐量EST_n、EST_f分别为：

其中，R_s和R_o分别表示安全速率和传输速率，Pr表示概率。