本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法。

背景技術(shù)：

近幾年，對于通信系統(tǒng)中能量消耗的研究熱度日益高漲。隨著新的通信網(wǎng)絡(luò)中能量消耗的迅速增長，使得如何合理使用能量成為通信系統(tǒng)設(shè)計的一項重要考慮要素。并且，由于傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電方式并非適合在所有通信網(wǎng)絡(luò)中使用，同樣，如果采用電池供電方式，則會使得通信網(wǎng)絡(luò)的后期更換電池或充電變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)維護成本增大。作為一種新的解決方法，相關(guān)研究已經(jīng)將能量采集技術(shù)融入不便于電網(wǎng)供電的通信網(wǎng)絡(luò)，如研究十分火熱的傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線通信系統(tǒng)中使用的能量采集技術(shù)主要是對于接收信號所包含的能量進行采集。當然，所有通信網(wǎng)絡(luò)必須在保障信息安全性的前提下才有意義。雖然傳統(tǒng)的密碼學在一定程度上保證了信息的安全性，但隨著計算機計算能力的迅速提升，傳統(tǒng)的加密算法在理論上是可以通過窮舉的方法破解，從而威脅到信息的安全傳輸。物理層安全技術(shù)則是直接從物理層保障信息的安全性，通過充分利用無線信道的時變特性和空間特性來增強通信網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法，有效的提升了中繼能量受限的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)安全性能。

一種結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法，一種結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法，用于中繼網(wǎng)絡(luò)，其中中繼網(wǎng)絡(luò)包括信源、中繼、信宿和竊聽者四個節(jié)點，其特征在于：信源與信宿之間信息傳輸過程分為第一傳輸時隙、第二傳輸時隙和第三傳輸時隙完成，在所述第一傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲至中繼，中繼通過兩根天線進行能量采集，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)，所述第一傳輸時隙完全用于采集能量，忽略中繼采集天線接收噪聲的微弱能量；在所述第二傳輸時隙中，信源廣播信息至中繼和竊聽者，中繼接收信源信息的同時將第一時隙所采集能量全部用于發(fā)送人工噪聲來干擾竊聽者對信源的竊聽；在所述第三傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲信號給中繼和竊聽者，中繼通過對噪聲信號采集能量，同時將采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信息至信宿，竊聽節(jié)點對中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程的竊聽受到了信源發(fā)送噪聲信號的干擾。

在本發(fā)明的較佳實施例中，所述第一傳輸時隙中，中繼接收信號的表達式為其中P_S為信源的發(fā)送功率，d₁為信源到中繼的距離，m表示路徑損耗因子，h_SR＝[h_SR1,h_SR2]^T表示信源至中繼兩根天線的信道參數(shù)矩陣，f_S為信源發(fā)送的單位方差人工噪聲信號，表示中繼每根接收天線的噪聲方差。

在本發(fā)明的較佳實施例中，在所述第一傳輸時隙中，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)采集的能量為其中η表示無線能量采集中的能量轉(zhuǎn)化效率因子，α表示時間分配因子，T表示三個時隙傳輸?shù)目倳r長。

在本發(fā)明的較佳實施例中，中繼在所述第二傳輸時隙接收到的信號為：其中P_R2表示中繼在第二時隙的發(fā)送功率，h_RR為中繼自干擾信道參數(shù)，f_R為中繼發(fā)送的單位方差人工噪聲信號，n_SR表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，竊聽節(jié)點在所述第二傳輸時隙接收信號的表達式為其中，h_SE表示信源與竊聽者間信道系數(shù)，h_RE表示中繼與竊聽者間信道系數(shù)，d₃表示信源到竊聽者的距離，d₄表示中繼到竊聽者的距離，n_SE表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，中繼和竊聽者在所述第二傳輸時隙的接收信噪比分別為：

在所述第三傳輸時隙中，信宿接收信號表示為其中d₂為中繼到信宿之間的距離，n_RD表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，竊聽者在第三時隙接收的信號表達式為其中n_RE表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，P_R3表示中繼在第三時隙的發(fā)送功率，且信宿和竊聽者在所述第三傳輸時隙的接受信噪比分別為：

在本發(fā)明的較佳實施例中，在所述第二傳輸時隙和第三傳輸時隙中，中繼采用固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)，安全傳輸網(wǎng)絡(luò)中的合法信道接收信噪比為γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，竊聽者在所述第二傳輸時隙和所述第三傳輸時隙中都能竊聽到有用信息，竊聽者采用選擇合并的方式合并所述第二傳輸時隙和第三傳輸時隙接收到的信號，竊聽信道接受信噪比表示為γ_E＝max(γ_SE,γ_RE)。

在本發(fā)明的較佳實施例中，還包括增強系統(tǒng)安全性能的時間分配步驟，系統(tǒng)的瞬時安全速率表示為C_S＝[C_D-C_E]⁺，其中表示max(a,0)，系統(tǒng)的遍歷安全容量為E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示對x求均值，評價傳輸系統(tǒng)安全性的安全吞吐量表示為τ＝(1-α)E(C_S)，當時間分配因子取最優(yōu)值時，系統(tǒng)的安全吞吐量達到最大，系統(tǒng)安全性能達到最好。

本發(fā)明中的結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法，信源與信宿之間信息傳輸過程分為第一傳輸時隙、第二傳輸時隙和第三傳輸時隙完成，在第一傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲至中繼，中繼通過兩根天線進行能量采集，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)，第一傳輸時隙完全用于采集能量，忽略中繼采集天線接收噪聲的微弱能量；在第二傳輸時隙中，信源廣播信息至中繼和竊聽者，中繼接收信源信息的同時將第一時隙所采集能量全部用于發(fā)送人工噪聲來干擾竊聽者對信源的竊聽；在第三傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲信號給中繼和竊聽者，中繼通過對噪聲信號采集能量，同時將采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信息至信宿，竊聽節(jié)點對中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程的竊聽受到了信源發(fā)送噪聲信號的干擾，該安全傳輸方法合理地將物理層安全中常用的協(xié)作干擾技術(shù)與新穎的時間分配能量采集技術(shù)相結(jié)合，同時考慮到了實用的全雙工模式，有效地提升了中繼能量受限的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)安全性能，特別適用于需要對中繼進行更換電池或者充電的中繼網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

附圖說明

圖1a)是本發(fā)明中的結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸模型圖；

圖1b)是本發(fā)明中的結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸?shù)娜齻€時隙分配圖；

圖2是本發(fā)明中的中繼網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下的二維拓撲圖；

圖3是本發(fā)明中的結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸策略與傳統(tǒng)傳輸策略相比在安全吞吐量隨信源發(fā)送功率增大時的變化對比圖；

圖4是在10dB,20dB，30dB的信源發(fā)送功率下，安全吞吐量隨時間分配因子最優(yōu)取值隨增大時的變化對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，

參見圖1(a)和1(b)，圖1(a)中包含四個節(jié)點，分別為信源S、中繼R、信宿D(zhuǎn)和竊聽者E，其中全雙工中繼R配備兩根天線，其他節(jié)點配置單天線，中繼工作所需能量全部通過對無線信號采集能量得到,系統(tǒng)中所有信道均采用瑞利衰落信道，且考慮信源S與信宿D(zhuǎn)之間距離較遠，沒有直達路徑，并且，信源與信宿之間的信息安全傳輸由第一傳輸時隙、第二傳輸時隙和第三傳輸時隙完成，具體步驟如下：

步驟1)，在第一傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲至中繼，中繼通過兩根天線進行能量采集，中繼接收信號的表達式為：其中P_S為信源的發(fā)送功率，d₁為信源到中繼的距離，m表示路徑損耗因子，h_SR＝[h_SR1,h_SR2]^T表示信源至中繼兩根天線的信道參數(shù)矩陣，f_S為信源發(fā)送的單位方差人工噪聲信號，表示中繼每根接收天線的噪聲方差；

步驟2)，第一傳輸時隙中，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)，第一傳輸時隙完全用于采集能量，忽略中繼采集天線接收噪聲的微弱能量，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)采集的能量為其中η表示無線能量采集中的能量轉(zhuǎn)化效率因子，α表示時間分配因子，T表示三個時隙傳輸?shù)目倳r長；

步驟3)，在第二傳輸時隙中，信源廣播信息至中繼和竊聽者，中繼接收信源信息的同時將第一時隙所采集能量全部用于發(fā)送人工噪聲來干擾竊聽者對信源的竊聽，中繼在所述第二傳輸時隙接收到的信號為：其中P_R2表示中繼在第二時隙的發(fā)送功率，h_RR為中繼自干擾信道參數(shù)，f_R為中繼發(fā)送的單位方差人工噪聲信號，n_SR表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，竊聽節(jié)點在所述第二傳輸時隙接收信號的表達式為其中，h_SE表示信源與竊聽者間信道系數(shù)，h_RE表示中繼與竊聽者間信道系數(shù)，d₃表示信源到竊聽者的距離，d₄表示中繼到竊聽者的距離，n_SE表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，中繼和竊聽者在第二傳輸時隙的接收信噪比分別為：

步驟4)，在第三傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲信號給中繼和竊聽者，中繼通過對噪聲信號采集能量，同時將采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信息至信宿，竊聽節(jié)點對中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程的竊聽受到了信源發(fā)送噪聲信號的干擾，在第三傳輸時隙中，信宿接收信號表示為其中d₂為中繼到信宿之間的距離，n_RD表示方差為σ²的加性白高斯噪聲，竊聽者在第三時隙接收的信號表達式為其中n_RE表示方差為σ²的加性白

高斯噪聲，P_R3表示中繼在第三時隙的發(fā)送功率，且信宿和竊聽者在所述第三傳輸時隙的接受信噪比分別為：

步驟5)，在所述第二傳輸時隙和第三傳輸時隙中，中繼采用固定解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)，安全傳輸網(wǎng)絡(luò)中的合法信道接收信噪比為γ_D＝min(γ_SR,γ_RD)，竊聽者在所述第二傳輸時隙和所述第三傳輸時隙中都能竊聽到有用信息，竊聽者采用選擇合并的方式合并所述第二傳輸時隙和第三傳輸時隙接收到的信號，竊聽信道接受信噪比表示為γ_E＝max(γ_SE,γ_RE)；

步驟6)，基于上述步驟，系統(tǒng)的瞬時安全速率表示為C_S＝[C_D-C_E]⁺，其中[a]⁺表示max(a,0)，系統(tǒng)的遍歷安全容量為E(C_S)＝E([C_D-C_E]⁺)，E(x)表示求對x均值，考慮在時延容忍的傳輸模型下，安全吞吐量作為評價傳輸系統(tǒng)安全性的有效指標，表示為τ＝(1-α)E(C_S)。

步驟7)，基于上述步驟，通過遍歷時間分配因子α，可以得到時間分配因子在特定情況下的最優(yōu)取值，并且分析不同信源發(fā)送功率對時間分配因子最優(yōu)取值的影響。

圖2是本發(fā)明中的中繼網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下的二維拓撲圖，其中，信源位于點(0,0)，中繼位于點信宿位于點竊聽者位于點作為對比，圖3是將本發(fā)明所提出的傳輸策略與其他策略進行對比的結(jié)果圖，仿真環(huán)境為:時間分配因子α＝0.2，信道衰落系數(shù)m＝3，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.4，中繼自干擾信道平均信道增益E(|h_RR|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均為1，各節(jié)點接收噪聲方差σ²＝1，圖中所給出傳統(tǒng)的基于時間分配能量采集技術(shù)的傳輸策略中，中繼是將第一時隙采集的能量完全用于第三時隙轉(zhuǎn)發(fā)有用信息至信宿。圖中的AF中繼策略是將本發(fā)明所提傳輸策略中的中繼解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議變更成放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的策略。由圖3可以看出本發(fā)明所提安全傳輸策略要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳輸策略和AF中繼策略，并且本發(fā)明所得安全吞吐量隨著信源發(fā)送功率P_S的增大而增加，傳輸安全性逐漸增強。圖4是在10dB,20dB，30dB的信源發(fā)送功率下，時間分配因子α最優(yōu)取值的變化情況，仿真環(huán)境為:時間分配因子α＝0.2，信道衰落系數(shù)m＝3，能量轉(zhuǎn)化效率η＝0.4，d＝0.5，中繼自干擾信道平均信道增益E(|h_RR|²)＝0.1，其他信道平均信道增益均為1，各節(jié)點接收噪聲方差σ²＝1，圖中可以看出，信源發(fā)送功率P_S的增加使得功率分配因子α最優(yōu)取值左移，且當時間分配因子α取最優(yōu)值時，系統(tǒng)的安全吞吐量達到最大，系統(tǒng)安全性能達到最好。

綜上所述，該結(jié)合協(xié)作干擾與時分能量采集技術(shù)的系統(tǒng)安全傳輸方法，信源與信宿之間信息傳輸過程分為第一傳輸時隙、第二傳輸時隙和第三傳輸時隙完成，在第一傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲至中繼，中繼通過兩根天線進行能量采集，中繼采用時間分配的能量采集技術(shù)，第一傳輸時隙完全用于采集能量，忽略中繼采集天線接收噪聲的微弱能量；在第二傳輸時隙中，信源廣播信息至中繼和竊聽者，中繼接收信源信息的同時將第一時隙所采集能量全部用于發(fā)送人工噪聲來干擾竊聽者對信源的竊聽；在第三傳輸時隙中，信源廣播人工噪聲信號給中繼和竊聽者，中繼通過對噪聲信號采集能量，同時將采集的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)信息至信宿，竊聽節(jié)點對中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程的竊聽受到了信源發(fā)送噪聲信號的干擾，該安全傳輸方法合理地將物理層安全中常用的協(xié)作干擾技術(shù)與新穎的時間分配能量采集技術(shù)相結(jié)合，同時考慮到了實用的全雙工模式，有效地提升了中繼能量受限的協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)安全性能，特別適用于需要對中繼進行更換電池或者充電的中繼網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

上述僅為本發(fā)明的一個具體實施例，但本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進行非實質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護范圍的行為。