基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法技術

本發明專利技術涉及一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，信息的整個安全傳輸過程分為兩個時隙完成，在第一時隙中，信源將有用信息發送給中繼，中繼節點將接收到信號的部分功率用于能量采集，剩余的功率用于接收來自信源發送的有用信息；在第二時隙中，中繼將第一時隙接收到的信號廣播至信宿。第一時隙中繼所采集到的能量全部被用于第二時隙的信息轉發。本發明專利技術中通過合理的將協作技術與時分能量采集技術相結合，使得竊聽信道的接收信噪比降低，提升了網絡的安全性能，從而保障了信息的安全傳輸。本發明專利技術中，半雙工中繼具有能量采集技術，通過中繼與其他節點之間的協作，使得竊聽信道的接收信噪比降低，達到保障系統安全傳輸的目的。

Power allocation, energy harvesting and relay security communication method based on optimal user selection

The invention relates to a method of secure communication relay power allocation optimal user selection based on energy acquisition, the security of information transmission is divided into two time slots, in the first time slot, the source will be useful information sent to the relay, the relay node receives the signal of power for energy acquisition, receive useful information from the source send for the remaining power; in the second time slot, the relay will receive the first timeslot signal broadcast to the destination. The energy collected by the relay in the first time slot is all used for the information transmission of the second time slot. In the invention, the received signal to noise ratio of the wiretap channel is reduced, and the security performance of the network is improved, thereby ensuring the safe transmission of the information by combining the cooperative technology with the time division energy acquisition technology reasonably. In the invention, the half duplex relay has the energy acquisition technology, and through the cooperation between the relay and other nodes, the received signal to noise ratio of the wiretap channel is reduced, and the purpose of ensuring the safe transmission of the system is achieved.

【技術實現步驟摘要】
基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法
本專利技術涉及無線通信及物理層安全領域，更具體地說，涉及一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法。
技術介紹
隨著網絡技術的快速發展，越來越復雜的網絡結構使得信息的安全傳輸更容易受到威脅。基于密鑰體制的高層安全協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生的不利影響。物理層安全技術通過充分利用無線信道復雜的空間特性和時變特性，直接從物理層保障信息傳輸的安全性。多用戶分集是一項廣泛應用的技術，它利用了在無線通信環境下不同用戶所處的獨立衰落信道的特性。這一理念也被應用于中繼網絡中，該中繼網絡中的中繼會協助信源數據，使之傳輸到信宿節點，這會擴大了蜂窩小區的覆蓋或者提高了通信系統的吞吐量。在中繼網絡，為了利用多用戶分集技術，要在信宿節點里機會式選取最佳的點對點信道質量即最佳的信噪比作為目的用戶，這種機會式調度的方法提高了系統的性能以及分集增益。近幾年，對于無線網絡中能量采集技術的研究受到了廣泛關注，對于不便于大規模采用有線供能的中繼網絡，比如傳感器網絡，傳統的方法是采用電池供電，但是造成后期的網絡維護成本較高，需要定期更換電池或者給電池充電。無線能量采集技術顯著延長了多節點網絡的生命周期，鑒于此，對于采用能量采集技術的協同中繼網絡的研究顯得十分必要。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種竊聽信道的接收信噪比降低，提升了網絡的安全性能，從而保障了信息的安全傳輸的基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法。本專利技術的技術方案如下：一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，步驟如下：1)在第一時隙中，中繼從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行服務，則合法用戶表示為其中，u＝{U1,...,UM}，表示M個用戶的集合，表示中繼到信宿的信道功率增益；剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶，系統竊聽速率由所有竊聽節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j≠i，表示中繼到潛在竊聽用戶的信道功率增益；中繼節點將接收到信號的部分功率用于能量采集，中繼接收信號的表達式為其中，PS為信源的發送功率，dSR為信源到中繼的距離，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，m表示路徑損耗因子，hSR為信源至中繼的信道參數，XS為單位方差信源信號，nR表示單位方差的加性白高斯噪聲；2)在第二時隙中，當信號用于能量采集之后，中繼的發送功率為其中，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子；中繼將第一時隙接收到的信號廣播至信宿，則第二時隙中，信宿接收信號表達式為：其中，i為第i個信宿節點，βc為中繼放大因子；3)系統的瞬時安全速率表示為其中表示合法用戶接受信噪比，γε表示竊聽用戶接受信噪比，[a]+表示max(a,0)；則基于瞬時安全速率的系統吞吐量為τ＝CS；4)中繼采用最優功分因子進行無線信號傳輸和能量采集，最優功分因子算法為：通過對系統吞吐量τ相對功率分配因子ρ取偏導，并設其為0，即可得到使得系統安全性能最強時，功率分配因子ρ的最優取值，表示為其中，為中繼至合法用戶的信道參數，hRε為中繼至竊聽用戶的信道參數。作為優選，步驟1)中，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ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子，T表示兩個時隙傳輸的總時長，T在兩個時隙均勻分配。作為優選，第一時隙中繼采集的能量全部用于第二時隙的信息傳輸。作為優選，步驟2)中，中繼采用的是可變增益放大轉發協議，在該協議下，中繼放大因子則信宿接收信號表達式化為：其中，為中繼到信宿之間的距離，表示中繼與信宿間信道系數，nR和均表示單位方差的加性白高斯噪聲，進而得出第二時隙中，信宿的接收信噪比為：本專利技術的有益效果如下：本專利技術所述的基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，通過合理的將協作技術與時分能量采集技術相結合，使得竊聽信道的接收信噪比降低，提升了網絡的安全性能，從而保障了信息的安全傳輸。本專利技術中，半雙工中繼具有能量采集技術，通過中繼與其他節點之間的協作，使得竊聽信道的接收信噪比降低，達到保障系統安全傳輸的目的。附圖說明圖1是實施本專利技術所述的方法的通信系統模型圖；圖2是本專利技術的功率分配框圖；圖3是本專利技術的通信系統流程圖；圖4是展示所得系統吞吐量隨信源發送功率PS增大以及信宿數量增大時的變化情況；圖5是比較不同的信宿數量M情況下，功率分配因子ρ最優取值的變化情況。具體實施方式以下結合附圖及實施例對本專利技術進行進一步的詳細說明。本專利技術為了解決現有技術中，對于不便于大規模采用有線供能的中繼網絡，采用電池供電，比如傳感器網絡，造成后期的網絡維護成本較高的不足，提供一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，將信息的整個安全傳輸過程分為兩個時隙完成，在第一時隙中，信源將有用信息發送給中繼，中繼節點將接收到信號的部分功率用于能量采集，剩余的功率用于接收來自信源發送的有用信息；在第二時隙中，中繼將第一時隙接收到的信號廣播至信宿。實施本專利技術所述的方法的通信系統結構，如圖1所示，包含兩個節點，分別為信源、中繼以及多個信宿(用戶)節點，所有節點均為單天線，且中繼為無源節點，通過能量采集為其工作供能。由于信源與信宿間距離較遠，沒有直達路徑。中繼在兩個時隙均為半雙工工作模式，系統中所有信道均采用瑞利衰落信道。一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，如圖3所示，步驟如下：1)在第一時隙中，中繼從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行服務，則合法用戶表示為其中，u＝{U1,...,UM}，表示M個用戶的集合，表示中繼到信宿的信道功率增益；剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶，系統竊聽速率由所有竊聽節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j≠i，表示中繼到潛在竊聽用戶的信道功率增益；中繼節點將接收到信號的部分功率用于能量采集，中繼接收信號的表達式為其中，PS為信源的發送功率，dSR為信源到中繼的距離，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，m表示路徑損耗因子，hSR為信源至中繼的信道參數，XS為單位方差信源信號，nR表示單位方差的加性白高斯噪聲；由于中繼采用了基于功率分配的能量采集技術，在忽略采集天線接收噪聲所帶微弱能量時，如圖2所示，中繼在第一時隙采集的能量表示為其中ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子，T表示兩個時隙傳輸的總時長，T在兩個時隙均勻分配。并且，第一時隙中繼采集的能量全部用于第二時隙的信息傳輸。2)在第二時隙中，當信號用于能量采集之后，中繼的發送功率為其中，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子；中繼將第一時隙接收到的信號廣播至信宿，則第二時隙中，信宿接收信號表達式為：其中，i為第i個信宿節點，βc為中繼放大因子；在本專利技術中，中繼采用的是可變增益放大轉發協議，在該協議下，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，其特征在于，步驟如下：1)在第一時隙中，中繼從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行服務，則合法用戶表示為

【技術特征摘要】
1.一種基于最優用戶選擇的功率分配能量采集中繼安全通信方法，其特征在于，步驟如下：1)在第一時隙中，中繼從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行服務，則合法用戶表示為其中，表示M個用戶的集合，表示中繼到信宿的信道功率增益；剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶，系統竊聽速率由所有竊聽節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j≠i，表示中繼到潛在竊聽用戶的信道功率增益；中繼節點將接收到信號的部分功率用于能量采集，中繼接收信號的表達式為其中，PS為信源的發送功率，dSR為信源到中繼的距離，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，m表示路徑損耗因子，hSR為信源至中繼的信道參數，XS為單位方差信源信號，nR表示單位方差的加性白高斯噪聲；2)在第二時隙中，當信號用于能量采集之后，中繼的發送功率為其中，ρ(0<ρ<1)表示功率分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子；中繼將第一時隙接收到的信號廣播至信宿，則第二時隙中，信宿接收信號表達式為：其中，i為第i個信宿節點，βc為中繼放大因子；3)系統的瞬時安全速率表示為其中表示合法用戶接受信噪比，γε表示竊聽用戶接受信噪比，[a]+表示max(a,0)；則基于瞬時安全速率的系統吞吐量為τ＝CS；4)中繼采用最優功分因子進行無線信號傳輸和能量采集，最優功分因子算法為：通過對系統吞吐量τ相對功率分配因子ρ取偏導，并設其為0，即可得到使得系統安全性能最強時，功率分配因子ρ的最優取值，表示為其中，為中繼至合法用戶的信道參數，hRε為中繼至竊聽用戶的信道參數。2.根據權利要求1所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙睿，方嘉佳，袁毅，譚星，聶志巧，
申請(專利權)人：華僑大學，
類型：發明
國別省市：福建,35