本發(fā)明涉及無線通信和物理層安全領(lǐng)域，特別涉及一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得信息的安全傳輸更容易受到威脅?；诿荑€體制的高層安全協(xié)議和加密算法等方法雖然可以在一定程度上提升信息安全性，但無法克服無線信道的廣播特性和迅速提升的計算能力對信息安全產(chǎn)生的不利影響。物理層安全技術(shù)通過充分利用無線信道復(fù)雜的空間特性和時變特性，直接從物理層保障信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

多用戶分集是一項廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它利用了在無線通信環(huán)境下不同用戶所處的獨立衰落信道的特性。這一理念也被應(yīng)用于中繼網(wǎng)絡(luò)中，該中繼網(wǎng)絡(luò)中的中繼會協(xié)助信源數(shù)據(jù)，使之傳輸?shù)叫潘薰?jié)點，這會擴(kuò)大了蜂窩小區(qū)的覆蓋或者提高了通信系統(tǒng)的吞吐量。在中繼網(wǎng)絡(luò)，為了利用多用戶分集技術(shù)，要在信宿節(jié)點里機會式選取最佳的點對點信道質(zhì)量即最佳的信噪比作為目的用戶，這種機會式調(diào)度的方法提高了系統(tǒng)的性能以及分集增益。

近幾年，對于無線網(wǎng)絡(luò)中能量采集技術(shù)的研究受到了廣泛關(guān)注，對于不便于大規(guī)模采用有線供能的中繼網(wǎng)絡(luò)，比如傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的方法是采用電池供電，但是造成后期的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本較高，需要定期更換電池或者給電池充電。無線能量采集技術(shù)顯著延長了多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的生命周期，鑒于此，對于采用能量采集技術(shù)的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)的研究顯得十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，通過將協(xié)作技術(shù)與時分能量采集技術(shù)相結(jié)合，使得竊聽信道的接收信噪比降低，提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性能，從而保障了信號的安全傳輸。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，所述半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)包括信源節(jié)點、中繼節(jié)點和若干個信宿節(jié)點，各節(jié)點均配置單天線，中繼為無源節(jié)點且采用可變增益放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，信號的安全傳輸過程分為三個時隙完成，具體包括：

在第一時隙中，中繼節(jié)點將接收到的信源節(jié)點發(fā)送的射頻信號通過能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量；

在第二時隙中，信源節(jié)點將有用信號發(fā)送給中繼節(jié)點；

在第三時隙中，中繼節(jié)點使用第一時隙內(nèi)所采集到的能量將第二時隙中接收到的信號廣播給信宿節(jié)點；并從所述若干個信宿節(jié)點中選取一個接收信噪比最大的節(jié)點作為合法用戶進(jìn)行服務(wù)，獲取中繼網(wǎng)絡(luò)基于瞬時安全速率的安全吞吐量的最優(yōu)值。

中繼節(jié)點在第一時隙內(nèi)采集到的能量表示為：

其中，0<α<1，α表示時間分配因子，η表示進(jìn)行無線能量采集時的能量轉(zhuǎn)換效率因子，T表示三個時隙傳輸?shù)目倳r長，P_S表示信源節(jié)點的發(fā)送功率，d_SR表示信源節(jié)點到中繼節(jié)點的距離，ρ表示路徑損耗因子，h_SR表示信源節(jié)點至中繼節(jié)點的信道參數(shù)。

在第二時隙內(nèi)，信源節(jié)點將有用信息發(fā)送給中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收到的信號表示為：

其中，X_S表示單位方差信源信號，n_R表示單位方差的加性白高斯噪聲。

在第三時隙內(nèi)，信宿節(jié)點接收到的中繼節(jié)點發(fā)送的信號表示為：

其中，i為信宿節(jié)點的數(shù)量，表示中繼節(jié)點到信宿節(jié)點之間的距離，表示中繼節(jié)點與信宿節(jié)點間信道系數(shù)，表示單位方差的加性白高斯噪聲；

在第三時隙中，信宿節(jié)點的接收信噪比表示為：

中繼節(jié)點從所述若干個信宿節(jié)點中選取一個接收信噪比最大的節(jié)點作為合法用戶進(jìn)行服務(wù)，包括：

選取接收信噪比最大的節(jié)點作為合法用戶，合法用戶表示為其中M表示中繼網(wǎng)絡(luò)中信宿節(jié)點的數(shù)量，表示使目標(biāo)函數(shù)取最大值時的i的取值；

其他的信宿節(jié)點作為潛在的竊聽用戶，中繼網(wǎng)絡(luò)竊聽速率由所有竊聽用戶中接收信噪比最大的竊聽用戶決定，該竊聽用戶表示為其中，表示除合法用戶的其他用戶。

中繼網(wǎng)絡(luò)基于瞬時安全速率的安全吞吐量表示為：

τ＝(1-α)C_S

其中，C_S表示中繼網(wǎng)絡(luò)瞬時安全速率，C_S＝[C_B-C_ε]⁺，[C_B-C_ε]⁺表示max((C_B-C_ε),0)；C_B表示合法用戶的瞬時安全速率，γ_B合法用戶的接收信噪比；C_ε表示信噪比最大的竊聽用戶的瞬時安全速率，γ_ε表示該竊聽用戶的接收信噪比。

通過二分法獲取中繼網(wǎng)絡(luò)基于瞬時安全速率的安全吞吐量的最優(yōu)值。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明使用半雙工中繼采用能量采集技術(shù)，通過中繼與其他節(jié)點之間的協(xié)作，使得竊聽信道的接收信噪比降低，達(dá)到保障系統(tǒng)安全傳輸?shù)哪康模?/p>

(2)本發(fā)明在基于瞬時信道參數(shù)環(huán)境下，提出了一種低復(fù)雜度線性算法，該算法可以簡便高效地得出平均安全吞吐量的最優(yōu)值；

(3)本發(fā)明的中繼節(jié)點采用了無線信號能量采集技術(shù)，適用于一些不便于大規(guī)模有線供能的中繼網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的中繼網(wǎng)絡(luò)的模型圖；

圖2為本發(fā)明安全傳輸過程的三個時隙的時間分配框圖；

圖3為本發(fā)明的中繼網(wǎng)絡(luò)的處理流程圖；

圖4為本發(fā)明的平均安全吞吐量隨信源發(fā)送功率P_S增大以及信宿數(shù)量增大時的變化示意圖；

圖5為本發(fā)明的基于瞬時信道參數(shù)環(huán)境下不同平均安全吞吐量進(jìn)行比較的示意圖；

圖6為本發(fā)明的通過二分法算法得出的循環(huán)次數(shù)與安全吞吐量的關(guān)系示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，參見圖1至圖3所示，所述半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)包含三個節(jié)點，分別為信源節(jié)點S、中繼節(jié)點R以及M個信宿節(jié)點(U₁，U₂…，U_M)，所有節(jié)點均為單天線，且中繼節(jié)點為無源節(jié)點，通過能量采集為其工作供能。考慮到信源節(jié)點與信宿節(jié)點間距離較遠(yuǎn)，沒有直達(dá)路徑，本發(fā)明中，信號的整個安全傳輸過程分為三個時隙完成，在第一時隙中，中繼節(jié)點將接收到信源節(jié)點發(fā)送的射頻信號通過能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量；在第二時隙中，信源節(jié)點將有用信號發(fā)送給中繼節(jié)點，在第三時隙中，中繼節(jié)點將接收到的信號廣播給信宿節(jié)點。具體的，網(wǎng)絡(luò)中所有信道均采用瑞利衰落信道；中繼節(jié)點在第一時隙所采集到的能量全部被用于第三時隙的信號轉(zhuǎn)發(fā)，且中繼節(jié)點在三個時隙均為半雙工工作模式；此外，由于存在多個用戶，為獲得多用戶分集增益并提升系統(tǒng)的安全性能，中繼從多用戶中選擇一個接收信噪比最大的用時隙戶作為合法用戶進(jìn)行服務(wù)，剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶。

本實施例中，一種基于時分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法具體包括如下步驟：

步驟1，在第一時隙中，中繼節(jié)點將接收到的射頻信號通過能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量。由于中繼采用了基于時間分配的能量采集技術(shù)，在忽略采集天線接收噪聲所帶微弱能量時，中繼在第一時隙采集的能量表示為其中，α(0<α<1)表示時間分配因子，η表示進(jìn)行無線能量采集時的能量轉(zhuǎn)換效率因子，T表示三個時隙傳輸?shù)目倳r長，P_S為信源的發(fā)送功率，d_SR為信源到中繼的距離，ρ表示路徑損耗因子，h_SR為信源至中繼的信道參數(shù)。

步驟2，在第二時隙中，信源節(jié)點將有用信息發(fā)送給中繼節(jié)點，且第一時隙中繼采集的能量全部用于第三時隙的信息傳輸。中繼節(jié)點接收信號的表達(dá)式為其中，X_S為單位方差信源信號，n_R表示單位方差的加性白高斯噪聲。

步驟3，在第三時隙中，當(dāng)信號用于能量采集之后，且中繼節(jié)點處于半雙工的工作模式下，中繼節(jié)點的發(fā)送功率表示為所以中繼節(jié)點的發(fā)送功率為中繼節(jié)點將接收到的信號廣播給信宿節(jié)點。由此可知第三時隙中，信宿節(jié)點接收信號表達(dá)式為其中i為信宿節(jié)點的數(shù)量。本實施例中，中繼節(jié)點采用的是可變增益解碼放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(AF)，在AF協(xié)議下，中繼放大因子所以信宿接收信號表達(dá)式化為

其中，為中繼節(jié)點到信宿節(jié)點之間的距離，表示中繼節(jié)點與信宿節(jié)點間信道系數(shù)，n_R和均表示單位方差的加性白高斯噪聲，由此可得在第三時隙中，信宿節(jié)點的接收信噪比為

步驟4，中繼節(jié)點采用可變增益放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，中繼節(jié)點從M個用戶中選擇一個接收信噪比最大的用戶作為合法用戶進(jìn)行服務(wù)，則合法用戶表示為其中表示為M個用戶的集合，M為信宿的數(shù)量，剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶，系統(tǒng)竊聽速率由所有竊聽節(jié)點中接收信噪比最大的竊聽用戶決定，則該竊聽用戶表示為其中，表示除合法用戶的其他用戶。

步驟5，基于上述步驟，網(wǎng)絡(luò)的瞬時安全速率表示為C_S＝[C_B-C_ε]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)，由此可得基于瞬時安全速率的網(wǎng)絡(luò)安全吞吐量為τ＝(1-α)C_S。

將各個系數(shù)代入網(wǎng)絡(luò)安全吞吐量的表達(dá)式可得：其中：

γ_SR＝|h_SR|²，表示信源到中繼的信道功率增益；γ_RB＝|h_RB|²，表示中繼到合法用戶的信道功率增益；γ_Rε＝|h_Rε|²，表示中繼到竊聽用戶的信道功率增益；d_RB表示中繼到合法用戶的距離；d_Rε表示中繼到竊聽用戶的距離；ln為數(shù)學(xué)中的對數(shù)符號。

步驟6，設(shè)置α的區(qū)間為[0,1]，通過二分法，可以得到基于一次瞬時信道參數(shù)環(huán)境下，安全吞吐量取得的最優(yōu)值以及所對應(yīng)的α值，具體算法流程為：

(1)[初始化]

(2)令Δα＝0.01，左區(qū)間α_min＝0，右區(qū)間α_max＝1，循環(huán)次數(shù)k＝0，閾值∈＝0.001，由步驟5可知，安全吞吐量的表達(dá)式為其數(shù)值微分形式為

(3)

α_min＝m

α_max＝m

end

k＝k+1

end

α＝m

(4)輸出：α和τ(α)。

具體的，如圖4所示是在基于蒙特·卡羅仿真環(huán)境下，系統(tǒng)平均安全吞吐量隨信源發(fā)送功率P_S增大以及信宿數(shù)量增大時的變化情況。從圖中可以看出本方案的平均安全吞吐量隨著信源發(fā)送功率P_S的增大而增加，且隨著信宿節(jié)點的數(shù)量增大而減小，從而有效保障了系統(tǒng)的安全傳輸。仿真環(huán)境:時間分配因子α＝0.2，信道衰落系數(shù)ρ＝2.7，蒙特·卡羅仿真次數(shù)N_Monte＝100000，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.4，信源到中繼的距離d_SR＝1，中繼到信宿的距離所有信道平均信道增益均為1。

如圖5所示是基于瞬時信道參數(shù)環(huán)境下二分法算法得出平均安全吞吐量的最優(yōu)值與α＝0.5得出的平均安全吞吐量進(jìn)行比較的情況。從圖中可以看出隨著信源發(fā)送功率P_S的增大，二分法算法的曲線始終在α＝0.5曲線的上方，從而可知該算法是有益的。仿真環(huán)境:信道衰落系數(shù)ρ＝2.7，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.4，信源到中繼的距離d_SR＝1，中繼到信宿的距離所有信道平均信道增益均為1。

如圖6所示是基于一次信道實現(xiàn)的環(huán)境下，通過二分法算法得出的循環(huán)次數(shù)與安全吞吐量的情況。從圖中可以看出循環(huán)次數(shù)在第8次時，算法就可以找到安全吞吐量的最優(yōu)值，這與蒙特卡洛的萬或百萬次的仿真次數(shù)相比，算法是非常高效省時的。仿真環(huán)境:信道衰落系數(shù)ρ＝2.7，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.4，信源到中繼的距離d_SR＝1，中繼到信宿的距離所有信道平均信道增益均為1。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。