本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，具體涉及一種利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種無(wú)線通信設(shè)備急劇增加，隨之而來(lái)的無(wú)線通信安全性問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)的無(wú)線通信安全機(jī)制主要是以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)加密技術(shù)，但隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迅速提升，這項(xiàng)技術(shù)的保密基礎(chǔ)變得不再牢靠，物理層安全技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

無(wú)線通信物理層安全技術(shù)從信息論的角度出發(fā)，利用物理信道的唯一性和互易性，來(lái)實(shí)現(xiàn)信息加密，辨識(shí)合法用戶等，旨在實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全。中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)(CN103986545A)公開(kāi)了一種用于SIMO無(wú)線通信系統(tǒng)的物理層安全傳輸方法，首先期望接收方反向發(fā)射隨機(jī)參考信號(hào)，然后發(fā)射方使用接收到的參考信號(hào)對(duì)待傳輸符號(hào)進(jìn)行置亂后發(fā)射，最后期望接收方利用已知參考信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以獲得發(fā)射方傳輸?shù)男畔?。值得指出的是，該發(fā)明專利僅公開(kāi)了發(fā)射方能夠完美接收到期望接收方反向隨機(jī)參考信號(hào)的情況，沒(méi)有考慮有限信道狀態(tài)信息反饋的場(chǎng)景。

另一方面，隨著新興無(wú)線業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)通信設(shè)備的續(xù)航時(shí)間逐漸成為影響用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵因素。在無(wú)線能量傳輸技術(shù)不斷成熟的背景下，研究人員提出了在通信網(wǎng)絡(luò)中安置固定的供電站，利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)設(shè)備提供能量。當(dāng)前，盡管引入供電站的新型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究工作尚處在起步階段，對(duì)供電站的應(yīng)用僅僅局限于為移動(dòng)設(shè)備提供能量，尚未充分發(fā)掘供電站的潛能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法，利用能量站提升物理層安全性能。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：

一種利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法，所述的通信系統(tǒng)包括源節(jié)點(diǎn)、合法接收節(jié)點(diǎn)、竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)和能量站；所述的能量站配置有N_J根天線，N_J≥1；所述的源節(jié)點(diǎn)配置有N_S根天線，N_S≥1；所述的合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)配置單根天線，具體包括如下步驟：

1)能量站在前θT時(shí)間內(nèi)向源節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線能量，0<θ<1表示時(shí)間分配因子，T表示一個(gè)時(shí)隙；

2)能量站通過(guò)偵聽(tīng)源節(jié)點(diǎn)、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)頻，估計(jì)通信系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息；

3)能量站利用估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)的最佳波束賦形器w₂；

4)在后(1-θ)T時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)向合法接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線信號(hào)，竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所述的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)，同時(shí)能量站采用波束賦形器w₂向合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線干擾信號(hào)，以最小化系統(tǒng)的保密中斷概率。

所述的保密中斷是指：當(dāng)系統(tǒng)的保密容量小于給定的信息傳輸速率時(shí)，保密中斷。

所述的通信系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)隙T中按照時(shí)間分配因子θ分別進(jìn)行能量傳輸和信息傳輸；在前θT時(shí)間內(nèi)，能量站向源節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線能量；在后(1-θ)T時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)向合法接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線信號(hào)，竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所述的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)，同時(shí)能量站向合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線干擾信號(hào)。

所述的能量站和源節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線能量傳輸子系統(tǒng)；所述的源節(jié)點(diǎn)、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線信號(hào)傳輸子系統(tǒng)；所述的能量站、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線干擾信號(hào)傳輸子系統(tǒng)。

所述的步驟2)中信道狀態(tài)信息包括：能量站與源節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)與合法接收節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)、能量站與合法接收節(jié)點(diǎn)以及能量站與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息。

所述的步驟3)中最佳波束賦形器w₂其目標(biāo)函數(shù)與約束條件分別表示為：

s.t.||w₂||＝1

其中，P_S和N₀分別表示能量站的最大發(fā)射功率和合法接收節(jié)點(diǎn)的噪聲功率；η表示無(wú)線射頻信號(hào)能量轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換效率；H_JS，h_SD，h_SE，h_JD和h_JE分別表示能量站與源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與合法接收節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)，能量站與合法接收節(jié)點(diǎn)以及能量站與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息；T和′分別表示轉(zhuǎn)置和共軛運(yùn)算符號(hào)。

所述的最佳發(fā)射波束賦形器w₂其目標(biāo)函數(shù)與約束條件通過(guò)半定松弛的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，同時(shí)省略W秩為1的約束條件，轉(zhuǎn)化為如下形式：

s.t.tr(W)＝1

其中，tr()代表求跡運(yùn)算符號(hào)。

利用Charnes-Cooper轉(zhuǎn)化定理，所得到的最佳波束賦形器w₂通過(guò)解如下凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題結(jié)合一維搜索的方法得到；

其中，一維搜索為如下問(wèn)題：

其中，F(xiàn)(y)為如下凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題的解：

s.t.s＞0

tr(Z)＝s

所述的凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題通過(guò)MATLAB軟件中的CVX工具包進(jìn)行求解；其中，最優(yōu)解Z是秩為1的矩陣，且滿足即最佳波束賦形器w₂通過(guò)對(duì)Z進(jìn)行奇異值分解得到。

同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

(1)本發(fā)明提供一種利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法，利用能量站提升物理層安全性能，在原有的竊聽(tīng)信道經(jīng)典模型中引入了無(wú)線能量傳輸技術(shù)，通過(guò)能量站向系統(tǒng)中的設(shè)備終端提供能量，建立了一種應(yīng)用范圍更廣、更為實(shí)際的模型，避免了傳統(tǒng)模型只能夠適用于小功耗無(wú)線設(shè)備終端的約束，有效提升了設(shè)備終端的續(xù)航能力。

(2)本發(fā)明中能量站在為終端提供能量的同時(shí)，也可以作為一個(gè)干擾源發(fā)射干擾信號(hào)。利用估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息，能量站調(diào)整并得到所對(duì)應(yīng)的最佳波束賦形器w₂，使得干擾信號(hào)在對(duì)竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大干擾的同時(shí)對(duì)合法接收節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較小影響，從而大幅提升整個(gè)通信系統(tǒng)的保密安全性能。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例中的通信系統(tǒng)的示意圖；

圖2為實(shí)施例中利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法流程圖；

圖3為實(shí)施例中優(yōu)化后的保密中斷概率性能隨主信道平均信噪比變化的關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例

如圖1所示，通信系統(tǒng)包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)合法接收節(jié)點(diǎn)、一個(gè)竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)和一個(gè)可發(fā)射干擾的能量站；源節(jié)點(diǎn)的能量利用效率為80％，時(shí)間分配因子為0.5，能量站的多天線數(shù)目為4，源節(jié)點(diǎn)的多天線數(shù)目為2。合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)配置單根天線。其中，能量站和源節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線能量傳輸子系統(tǒng)；源節(jié)點(diǎn)、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線信號(hào)傳輸子系統(tǒng)；能量站、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線干擾信號(hào)傳輸子系統(tǒng)。

如圖2所示，利用能量站最小化系統(tǒng)保密中斷概率的方法，具體包括如下步驟：

1)能量站在前θT時(shí)間內(nèi)向源節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線能量，0<θ<1表示時(shí)間分配因子，T表示一個(gè)時(shí)隙；

2)能量站通過(guò)偵聽(tīng)源節(jié)點(diǎn)、合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)頻，估計(jì)通信系統(tǒng)中的信道狀態(tài)信息；

3)能量站利用估計(jì)得到的信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)的最佳波束賦形器w₂；

4)在后(1-θ)T時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)向合法接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線信號(hào)，竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所述的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)，同時(shí)能量站采用波束賦形器w²向合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線干擾信號(hào)，以最小化系統(tǒng)的保密中斷概率。

通信系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)隙T中按照時(shí)間分配因子θ分別進(jìn)行能量傳輸和信息傳輸；在前θT時(shí)間內(nèi)，能量站向源節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線能量；在后(1-θ)T時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)向合法接收節(jié)點(diǎn)傳輸無(wú)線信號(hào)，竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所述的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)，同時(shí)能量站向合法接收節(jié)點(diǎn)和竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線干擾信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)的保密容量小于給定的信息傳輸速率時(shí)，保密中斷。

所述的步驟2)中信道狀態(tài)信息包括：能量站與源節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)與合法接收節(jié)點(diǎn)、源節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)、能量站與合法接收節(jié)點(diǎn)以及能量站與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息。

所述的步驟3)中最佳波束賦形器w₂其目標(biāo)函數(shù)與約束條件分別表示為：

s.t.||w₂||＝1

其中，P_S和N₀分別表示能量站的最大發(fā)射功率和合法接收節(jié)點(diǎn)的噪聲功率；η表示無(wú)線射頻信號(hào)能量轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換效率；H_JS，h_SD，h_SE，h_JD和h_JE分別表示能量站與源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與合法接收節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)，能量站與合法接收節(jié)點(diǎn)以及能量站與竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息；T和′分別表示轉(zhuǎn)置和共軛運(yùn)算符號(hào)。

所述的最佳發(fā)射波束賦形器w₂其目標(biāo)函數(shù)與約束條件通過(guò)半定松弛的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算符號(hào)，同時(shí)省略W秩為1的約束條件，轉(zhuǎn)化為如下形式：

s.t.tr(W)＝1

其中，tr()代表求跡運(yùn)算符號(hào)。

利用Charnes-Cooper轉(zhuǎn)化定理，所得到的最佳波束賦形器w₂通過(guò)解如下凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題結(jié)合一維搜索的方法得到；

其中，一維搜索為如下問(wèn)題：

其中，F(xiàn)(y)為如下凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題的解：

s.t.s＞0

tr(Z)＝s

所述的凸半定規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題通過(guò)MATLAB軟件中的CVX工具包進(jìn)行求解；其中，最優(yōu)解Z是秩為1的矩陣，且滿足即最佳波束賦形器w₂通過(guò)對(duì)Z進(jìn)行奇異值分解得到。

性能分析

為證明實(shí)施例中系統(tǒng)的性能變化，本實(shí)施例采用保密中斷概率性能參數(shù)進(jìn)行分析。圖3為本實(shí)施例中優(yōu)化后的保密中斷概率性能隨主信道平均信噪比變化的關(guān)系曲線圖。

在此，我們采用其他兩種基礎(chǔ)策略作為參照：參照一即發(fā)送天線選擇策略，利用所獲得的信道狀態(tài)信息，選擇一根對(duì)合法接收節(jié)點(diǎn)干擾最小的天線傳輸無(wú)線干擾信號(hào)；參照二即最大比發(fā)送策略，利用所獲得的信道狀態(tài)信息，將天線對(duì)準(zhǔn)竊聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線干擾信號(hào)，以對(duì)其造成較大的干擾。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，最佳波束賦形器策略下的性能最優(yōu)，由此印證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。同時(shí)從圖3中可以看出，隨著主信道平均信噪比的增加，系統(tǒng)的保密中斷概率不斷減小，即系統(tǒng)的性能不斷提升。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，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)。