基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法与流程

本发明涉及无线通信及物理层安全领域，更具体地说，涉及一种基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法。

背景技术：

随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性。

多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。

近几年，对于无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。无线能量采集技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用能量采集技术的协同中继网络的研究显得十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信息的安全传输的基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法，步骤如下：

1)在第一时隙中，中继从M个用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，则合法用户表示为其中，u＝{U₁,...,U_M}，表示M个用户的集合，表示中继到信宿的信道功率增益；

剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，系统窃听速率由所有窃听节点中接收信噪比最大的窃听用户决定，则该窃听用户表示为其中j≠i，表示中继到潜在窃听用户的信道功率增益；

中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，中继接收信号的表达式为其中，P_S为信源的发送功率，d_SR为信源到中继的距离，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，X_S为单位方差信源信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

2)在第二时隙中，当信号用于能量采集之后，中继的发送功率为其中，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子；

中继将第一时隙接收到的信号广播至信宿，则第二时隙中，信宿接收信号表达式为：其中，i为第i个信宿节点，β_c为中继放大因子；

3)系统的瞬时安全速率表示为其中表示合法用户接受信噪比，γ_ε表示窃听用户接受信噪比，[a]⁺表示max(a,0)；则基于瞬时安全速率的系统吞吐量为τ＝C_S；

4)中继采用最优功分因子进行无线信号传输和能量采集，最优功分因子算法为：

通过对系统吞吐量τ相对功率分配因子ρ取偏导，并设其为0，即可得到使得系统安全性能最强时，功率分配因子ρ的最优取值，表示为

其中，为中继至合法用户的信道参数，h_Rε为中继至窃听用户的信道参数。

作为优选，步骤1)中，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，中继在第一时隙采集的能量表示为其中ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，T在两个时隙均匀分配。

作为优选，第一时隙中继采集的能量全部用于第二时隙的信息传输。

作为优选，步骤2)中，中继采用的是可变增益放大转发协议，在该协议下，中继放大因子

则信宿接收信号表达式化为：

其中，为中继到信宿之间的距离，表示中继与信宿间信道系数，n_R和均表示单位方差的加性白高斯噪声，进而得出第二时隙中，信宿的接收信噪比为：

本发明的有益效果如下：

本发明所述的基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法，通过合理的将协作技术与时分能量采集技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信息的安全传输。本发明中，半双工中继具有能量采集技术，通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的。

附图说明

图1是实施本发明所述的方法的通信系统模型图；

图2是本发明的功率分配框图；

图3是本发明的通信系统流程图；

图4是展示所得系统吞吐量随信源发送功率P_S增大以及信宿数量增大时的变化情况；

图5是比较不同的信宿数量M情况下，功率分配因子ρ最优取值的变化情况。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术中，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，采用电池供电，比如传感器网络，造成后期的网络维护成本较高的不足，提供一种基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法，将信息的整个安全传输过程分为两个时隙完成，在第一时隙中，信源将有用信息发送给中继，中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，剩余的功率用于接收来自信源发送的有用信息；在第二时隙中，中继将第一时隙接收到的信号广播至信宿。

实施本发明所述的方法的通信系统结构，如图1所示，包含两个节点，分别为信源、中继以及多个信宿(用户)节点，所有节点均为单天线，且中继为无源节点，通过能量采集为其工作供能。由于信源与信宿间距离较远，没有直达路径。中继在两个时隙均为半双工工作模式，系统中所有信道均采用瑞利衰落信道。

一种基于最优用户选择的功率分配能量采集中继安全通信方法，如图3所示，步骤如下：

1)在第一时隙中，中继从M个用户中选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户进行服务，则合法用户表示为其中，u＝{U₁,...,U_M}，表示M个用户的集合，表示中继到信宿的信道功率增益；

剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户，系统窃听速率由所有窃听节点中接收信噪比最大的窃听用户决定，则该窃听用户表示为其中j≠i，表示中继到潜在窃听用户的信道功率增益；

中继节点将接收到信号的部分功率用于能量采集，中继接收信号的表达式为其中，P_S为信源的发送功率，d_SR为信源到中继的距离，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，m表示路径损耗因子，h_SR为信源至中继的信道参数，X_S为单位方差信源信号，n_R表示单位方差的加性白高斯噪声；

由于中继采用了基于功率分配的能量采集技术，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，如图2所示，中继在第一时隙采集的能量表示为其中ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示两个时隙传输的总时长，T在两个时隙均匀分配。并且，第一时隙中继采集的能量全部用于第二时隙的信息传输。

2)在第二时隙中，当信号用于能量采集之后，中继的发送功率为其中，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子；

中继将第一时隙接收到的信号广播至信宿，则第二时隙中，信宿接收信号表达式为：其中，i为第i个信宿节点，β_c为中继放大因子；

在本发明中，中继采用的是可变增益放大转发协议，在该协议下，中继放大因子

则信宿接收信号表达式化为：

其中，为中继到信宿之间的距离，表示中继与信宿间信道系数，n_R和均表示单位方差的加性白高斯噪声，进而得出第二时隙中，信宿的接收信噪比为：

3)系统的瞬时安全速率表示为其中表示合法用户接受信噪比，γ_ε表示窃听用户接受信噪比，[a]⁺表示max(a,0)；则基于瞬时安全速率的系统吞吐量为τ＝C_S；

从瞬时安全速率的表达式可知，要使瞬时安全速率最大，就要使合法用户接收信噪比最大，从步骤2中的表达式可知，与成正比关系，所以选择一个接收信噪比最大的用户作为合法用户也就是选择一个中继到信宿的信道功率增益最大的用户，故步骤1的用户选择算法可以使得瞬时安全速率达到最大。

4)中继采用最优功分因子进行无线信号传输和能量采集，最优功分因子算法为：

通过对系统吞吐量τ相对功率分配因子ρ取偏导，并设其为0，即可得到使得系统安全性能最强时，功率分配因子ρ的最优取值，表示为

其中，为中继至合法用户的信道参数，h_Rε为中继至窃听用户的信道参数。

图4给出了系统吞吐量随着信源发送功率P_S以及信宿数量增大时的变化情况。仿真环境为：功率分配因子ρ＝0.4，信道衰落系数m＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，中继到信宿的距离所有信道平均信道增益均为1。

从图4中可以看出本方案的吞吐量随着信源发送功率P_S的增大而增加，且随着信宿节点的数量增大而减小，从而有效保障了系统的安全传输。

图5给出了不同的信宿数量M情况下，功率分配因子ρ最优取值的变化情况。仿真环境为：信道衰落系数m＝2.7，能量转化效率η＝0.4，信源到中继的距离d_SR＝1，信源发送功率P_S＝10dB，中继到信宿的距离所有信道平均信道增益均为1。

通过对系统吞吐量取偏导，并设其为0，即可得出功率分配因子ρ最优取值，从图5中可以看出，信宿数量M的增加使得功率分配因子ρ最优取值左移，且当功率分配因子ρ取最优值时，系统的吞吐量达到最大，系统安全性能达到最好。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。