本發(fā)明涉及無(wú)線通信和物理層安全領(lǐng)域，特別涉及一種基于時(shí)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(lái)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(wú)法克服無(wú)線信道的廣播特性和迅速提升的計(jì)算能力對(duì)信息安全產(chǎn)生的不利影響。物理層安全技術(shù)通過(guò)充分利用無(wú)線信道復(fù)雜的空間特性和時(shí)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(xiàng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它利用了在無(wú)線通信環(huán)境下不同用戶所處的獨(dú)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(huì)協(xié)助信源數(shù)據(jù)，使之傳輸?shù)叫潘薰?jié)點(diǎn)，這會(huì)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(diǎn)里機(jī)會(huì)式選取最佳的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道質(zhì)量即最佳的信噪比作為目的用戶，這種機(jī)會(huì)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(duì)于無(wú)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(duì)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(wú)線能量采集技術(shù)顯著延長(zhǎng)了多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，鑒于此，對(duì)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(shí)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(shí)分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，通過(guò)將協(xié)作技術(shù)與時(shí)分能量采集技術(shù)相結(jié)合，使得竊聽(tīng)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(hào)的安全傳輸。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于時(shí)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(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)均配置單天線，中繼為無(wú)源節(jié)點(diǎn)且采用可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，信號(hào)的安全傳輸過(guò)程分為三個(gè)時(shí)隙完成，具體包括：

在第一時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)通過(guò)能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量；

在第二時(shí)隙中，信源節(jié)點(diǎn)將有用信號(hào)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)；

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

中繼節(jié)點(diǎn)在第一時(shí)隙內(nèi)采集到的能量表示為：

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

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

其中，X_S表示單位方差信源信號(hào)，n_R表示單位方差的加性白高斯噪聲。

在第三時(shí)隙內(nèi)，信宿節(jié)點(diǎn)接收到的中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)表示為：

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

在第三時(shí)隙中，信宿節(jié)點(diǎn)的接收信噪比表示為：

中繼節(jié)點(diǎn)從所述若干個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)中選取一個(gè)接收信噪比最大的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的數(shù)量，表示使目標(biāo)函數(shù)取最大值時(shí)的i的取值；

其他的信宿節(jié)點(diǎn)作為潛在的竊聽(tīng)用戶，中繼網(wǎng)絡(luò)竊聽(tīng)速率由所有竊聽(tīng)用戶中接收信噪比最大的竊聽(tīng)用戶決定，該竊聽(tīng)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(shí)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(shí)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(shí)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(tīng)用戶的瞬時(shí)安全速率，γ_ε表示該竊聽(tīng)用戶的接收信噪比。

通過(guò)二分法獲取中繼網(wǎng)絡(luò)基于瞬時(shí)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(guò)中繼與其他節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作，使得竊聽(tīng)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(shí)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(jiǎn)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(diǎn)采用了無(wú)線信號(hào)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(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的一種基于時(shí)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(shí)施例。

附圖說(shuō)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(guò)程的三個(gè)時(shí)隙的時(shí)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(shí)的變化示意圖；

圖5為本發(fā)明的基于瞬時(shí)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(guò)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(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于時(shí)分能量采集的半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)安全傳輸方法，參見(jiàn)圖1至圖3所示，所述半雙工中繼網(wǎng)絡(luò)包含三個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為信源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R以及M個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)(U₁，U₂…，U_M)，所有節(jié)點(diǎn)均為單天線，且中繼節(jié)點(diǎn)為無(wú)源節(jié)點(diǎn)，通過(guò)能量采集為其工作供能?？紤]到信源節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)，沒(méi)有直達(dá)路徑，本發(fā)明中，信號(hào)的整個(gè)安全傳輸過(guò)程分為三個(gè)時(shí)隙完成，在第一時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)通過(guò)能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量；在第二時(shí)隙中，信源節(jié)點(diǎn)將有用信號(hào)發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，在第三時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)廣播給信宿節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)在第一時(shí)隙所采集到的能量全部被用于第三時(shí)隙的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，且中繼節(jié)點(diǎn)在三個(gè)時(shí)隙均為半雙工工作模式；此外，由于存在多個(gè)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(gè)接收信噪比最大的用時(shí)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(tīng)用戶。

本實(shí)施例中，一種基于時(shí)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(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的射頻信號(hào)通過(guò)能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)化為能量。由于中繼采用了基于時(shí)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(shí)，中繼在第一時(shí)隙采集的能量表示為其中，α(0<α<1)表示時(shí)間分配因子，η表示進(jìn)行無(wú)線能量采集時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率因子，T表示三個(gè)時(shí)隙傳輸?shù)目倳r(shí)長(zhǎng)，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(shí)隙中，信源節(jié)點(diǎn)將有用信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，且第一時(shí)隙中繼采集的能量全部用于第三時(shí)隙的信息傳輸。中繼節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的表達(dá)式為其中，X_S為單位方差信源信號(hào)，n_R表示單位方差的加性白高斯噪聲。

步驟3，在第三時(shí)隙中，當(dāng)信號(hào)用于能量采集之后，且中繼節(jié)點(diǎn)處于半雙工的工作模式下，中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率表示為所以中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的信號(hào)廣播給信宿節(jié)點(diǎn)。由此可知第三時(shí)隙中，信宿節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)表達(dá)式為其中i為信宿節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。本實(shí)施例中，中繼節(jié)點(diǎn)采用的是可變?cè)鲆娼獯a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(hào)表達(dá)式化為

其中，為中繼節(jié)點(diǎn)到信宿節(jié)點(diǎn)之間的距離，表示中繼節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)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(shí)隙中，信宿節(jié)點(diǎn)的接收信噪比為

步驟4，中繼節(jié)點(diǎn)采用可變?cè)鲆娣糯筠D(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，中繼節(jié)點(diǎn)從M個(gè)用戶中選擇一個(gè)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(gè)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(tīng)用戶，系統(tǒng)竊聽(tīng)速率由所有竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)中接收信噪比最大的竊聽(tīng)用戶決定，則該竊聽(tīng)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(shí)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(shí)安全速率的網(wǎng)絡(luò)安全吞吐量為τ＝(1-α)C_S。

將各個(gè)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(tīng)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(tīng)用戶的距離；ln為數(shù)學(xué)中的對(duì)數(shù)符號(hào)。

步驟6，設(shè)置α的區(qū)間為[0,1]，通過(guò)二分法，可以得到基于一次瞬時(shí)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的環(huán)境下，通過(guò)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(shí)，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(wàn)或百萬(wàn)次的仿真次數(shù)相比，算法是非常高效省時(shí)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(shí)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)。