本發(fā)明涉及協(xié)作中繼技術領域，尤其涉及一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，協(xié)作中繼技術得到了廣泛的重視和關注。將協(xié)作中繼技術應用在無線通信領域，不但能夠有效地利用頻譜資源，還能提升通信的可靠性，降低信號發(fā)送功率，并且便于通信系統(tǒng)的規(guī)劃。鑒于上述優(yōu)點，協(xié)作中繼技術現(xiàn)已被ieee802.11s-wlan、802.16j-wman、802.20-mbwa等標準(http://www.ieee802.org)采納，具有廣闊的工程應用前景。

然而中繼轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生了能量損耗，能量存儲有限的中繼設備將會有應用上的限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術中中繼設備應用有限，提供了一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)，能夠應對中繼設備額外的能量損耗。

一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

多個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點、基站以及竊聽節(jié)點；

所述多個用戶節(jié)點提供部分能量供所述中繼節(jié)點進行采集；

所述中繼節(jié)點基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對所述導頻信號進行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站和竊聽節(jié)點；

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比；

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比；

根據(jù)所述第一信噪比和第二信噪比計算用戶節(jié)點到基站之間的安全容量；

選定安全容量最大的用戶節(jié)點與所述中繼節(jié)點和基站進行數(shù)據(jù)傳輸，同時所述用戶節(jié)點為所述中繼節(jié)點進行無線充電。

進一步地，根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比，包括：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號計算第三信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第四信噪比；

將所述第三信噪比和第四信噪比進行相加，獲得第一信噪比。

進一步地，所述第三信噪比通過如下公式進行計算：

所述第四信噪比通過如下公式進行計算：

所述第一信噪比通過如下公式進行計算：

其中，為第三信噪比，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,d為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至基站的直達鏈路，為第四信噪比，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,d為中繼節(jié)點與基站之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，σ為方差，σ²＝1，為第一信噪比。

進一步地，根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比，包括：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第五信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第六信噪比；

將所述第五信噪比和第六信噪比進行相加，獲得第二信噪比。

進一步地，所述第五信噪比通過以下公式進行計算：

所述第六信噪比通過以下公式進行計算：

所述第二信噪比通過以下公式進行計算：

其中，為第五信噪比，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,e為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至竊聽節(jié)點的直達鏈路，為第六信噪比，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,e為竊聽節(jié)點和中繼節(jié)點之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，σ為方差，σ²＝1，為第二信噪比。

進一步地，所述安全容量通過以下公式進行計算：

其中，為第一信噪比，為第二信噪比，為安全容量。

進一步地，通過以下原則進行最大安全容量的選擇：

其中，為安全容量，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,d為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至基站的直達鏈路，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,d為中繼節(jié)點與基站之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，ε為方差，ε²＝1，hsn,e為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至竊聽節(jié)點的直達鏈路，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,e為竊聽節(jié)點和中繼節(jié)點之間的鏈路。

一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括服務器、基站、中繼節(jié)點、竊聽節(jié)點以及多個用戶節(jié)點；

所述多個用戶節(jié)點用于發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點、基站以及竊聽節(jié)點，并提供部分能量供所述中繼節(jié)點進行采集；

所述中繼節(jié)點基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對所述導頻信號進行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站和竊聽節(jié)點；

所述服務器用于加載存儲的多條指令并執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比；

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比；

根據(jù)所述第一信噪比和第二信噪比計算用戶節(jié)點到基站之間的安全容量；

選定安全容量最大的用戶節(jié)點；

所述安全容量最大的用戶節(jié)點用于與所述中繼節(jié)點和基站進行數(shù)據(jù)傳輸，同時為所述中繼節(jié)點進行無線充電。

進一步地，所述服務器還用于執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號計算第三信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第四信噪比；

將所述第三信噪比和第四信噪比進行相加，獲得第一信噪比。

進一步地，所述服務器還用于執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第五信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第六信噪比；

將所述第五信噪比和第六信噪比進行相加，獲得第二信噪比。

本發(fā)明提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法及系統(tǒng)，通過中繼對接收的能量進行采集，減少了中繼對能量的額外消耗，同時還可以充分利用系統(tǒng)的分集增益，隨著用戶數(shù)的增加能迅速提升系統(tǒng)的安全性能，將增強多用戶安全能量采集中繼網(wǎng)絡的適用性，并為未來無線網(wǎng)絡的設計和性能提升提供理論支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法一種實施例的流程圖。

圖2為本發(fā)明提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法中在matlab仿真環(huán)境下的安全中斷概率隨主信道和竊聽信道的平均強度比(mer)變化曲線示意圖。

圖3為發(fā)明提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法中matlab仿真環(huán)境下的安全中斷概率隨合法用戶數(shù)變化曲線示意圖。

圖4為本發(fā)明提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例一

參考圖1，本實施例提供一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

步驟s101，多個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點、基站以及竊聽節(jié)點；

步驟s102，所述多個用戶節(jié)點提供部分能量供所述中繼節(jié)點進行采集；

步驟s103，中繼節(jié)點基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對所述導頻信號進行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站和竊聽節(jié)點；

步驟s104，根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比；

步驟s105，根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比；

步驟s106，根據(jù)所述第一信噪比和第二信噪比計算用戶節(jié)點到基站之間的安全容量；

步驟s107，選定安全容量最大的用戶節(jié)點與所述中繼節(jié)點和基站進行數(shù)據(jù)傳輸，同時所述用戶節(jié)點為所述中繼節(jié)點進行無線充電。

具體地，每個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點、基站以及竊聽節(jié)點，中繼節(jié)點基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(af協(xié)議)對該導頻信號進行放大處理，轉(zhuǎn)發(fā)至基站和竊聽節(jié)點。

進一步地，基站采用最大比合并技術合并用戶節(jié)點直接發(fā)送的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的導頻信號。計算基站接收信噪比，即第一信噪比。

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比，包括：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號計算第三信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第四信噪比；

將所述第三信噪比和第四信噪比進行相加，獲得第一信噪比。

具體地，第三信噪比通過如下公式進行計算：

所述第四信噪比通過如下公式進行計算：

所述第一信噪比通過如下公式進行計算：

其中，為第三信噪比，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,d為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至基站的直達鏈路，為第四信噪比，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,d為中繼節(jié)點與基站之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，ε為方差，σ²＝1，為第一信噪比。

進一步地，竊聽節(jié)點采用最大比合并技術合并用戶節(jié)點直接發(fā)送的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的導頻信號。計算竊聽節(jié)點接收信噪比，即第二信噪比。

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比，包括：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第五信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第六信噪比；

將所述第五信噪比和第六信噪比進行相加，獲得第二信噪比。

第五信噪比通過以下公式進行計算：

所述第六信噪比通過以下公式進行計算：

所述第二信噪比通過以下公式進行計算：

其中，為第五信噪比，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,e為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至竊聽節(jié)點的直達鏈路，為第六信噪比，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,e為竊聽節(jié)點和中繼節(jié)點之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，σ為方差，σ²＝1，為第二信噪比。

進一步地，根據(jù)安全容量定義，所述安全容量通過以下公式進行計算：

其中，為第一信噪比，為第二信噪比，為安全容量。

根據(jù)最大化系統(tǒng)安全容量原則，通過窮舉法，選定一個與基站對應安全容量最大的用戶節(jié)點進行安全數(shù)據(jù)通信，其他用戶節(jié)點保持靜默，具體通過以下原則進行最大安全容量的選擇：

其中，為安全容量，ps為用戶節(jié)點的發(fā)送功率，hsn,d為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至基站的直達鏈路，ε為中繼節(jié)點能量采集功率分流的參數(shù)，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,d為中繼節(jié)點與基站之間的鏈路，η為能量采集的轉(zhuǎn)化效率，σ為方差，σ²＝1，hsn,e為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至竊聽節(jié)點的直達鏈路，hsn,r為第n個用戶節(jié)點發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點的鏈路，hr,e為竊聽節(jié)點和中繼節(jié)點之間的鏈路。

選定的用戶節(jié)點與基站和中繼節(jié)點進行安全數(shù)據(jù)傳輸，以固定速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并對中繼節(jié)點進行無線充電，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。

進一步地，在matlab仿真環(huán)境下，使用蒙特卡洛計算機仿真本發(fā)明所提方法的安全中斷概率。在仿真實驗中，系統(tǒng)節(jié)點間鏈路服從瑞利衰落，主信道直達鏈路的平均強度為1，兩跳中繼鏈路的平均強度為16，而用戶到竊聽節(jié)點以及中繼到竊聽節(jié)點信道鏈路的平均強度相等，用戶的發(fā)送功率ps＝10db。系統(tǒng)各節(jié)點處加性高斯白噪聲的均值為零，方差為1。系統(tǒng)的目標安全數(shù)據(jù)傳輸速率為1bps/hz，相應的門限γth＝3，功率分流因數(shù)ε＝0.5，中繼能量采集效率η＝20％。考慮到信道與噪聲的隨機性，獨立運行10⁹次循環(huán)并對結(jié)果取平均。

對于每一次循環(huán)，執(zhí)行本實施例中的步驟s101-步驟s107。

本實施例中的安全中斷概率定義為：

其中prob(x)表示事件x發(fā)生的概率。

參考圖2，圖2為用戶數(shù)n＝3時，mer在0～25db的范圍內(nèi)，本實施例提供的方法和基站基于最大接收信噪比選定用戶的方法的安全中斷概率仿真曲線。對比可以看出，本實施例提供的方法通過最大化基站與合法用戶之間的端到端安全容量，能夠充分利用竊聽信道的信息，提升系統(tǒng)的安全性能，安全中斷性能優(yōu)于基于最大接收信噪比方法。

參考圖3，圖3為當mer＝30db時，總用戶數(shù)n在1～10范圍內(nèi)，本實施例所提方法和基于最大接收信噪比方法的安全中斷概率仿真曲線。對比可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，本實施例所提方法的安全中斷概率迅速變小，系統(tǒng)傳輸?shù)陌踩阅苎杆偬嵘?/p>

綜上，本實施例提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸方法，通過中繼對接收的能量進行采集，減少了中繼對能量的額外消耗，同時還可以充分利用系統(tǒng)的分集增益，隨著用戶數(shù)的增加能迅速提升系統(tǒng)的安全性能，將增強多用戶安全能量采集中繼網(wǎng)絡的適用性，并為未來無線網(wǎng)絡的設計和性能提升提供理論支撐。

實施例二

參考圖4，本實施例提供一種多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括服務器101、基站102、中繼節(jié)點103、竊聽節(jié)點104以及多個用戶節(jié)點105；

多個用戶節(jié)點105用于發(fā)送導頻信號至中繼節(jié)點103、基站102以及竊聽節(jié)點104，并提供部分能量供中繼節(jié)點104進行采集；

中繼節(jié)點103基于放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對導頻信號進行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)至基站102和竊聽節(jié)點104；

服務器101用于加載存儲的多條指令并執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第一信噪比；

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第二信噪比；

根據(jù)所述第一信噪比和第二信噪比計算用戶節(jié)點到基站之間的安全容量；

選定安全容量最大的用戶節(jié)點；

所述安全容量最大的用戶節(jié)點用于與所述中繼節(jié)點和基站進行數(shù)據(jù)傳輸，同時為所述中繼節(jié)點進行無線充電。

進一步地，服務器101還用于執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到基站的導頻信號計算第三信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到基站的導頻信號計算第四信噪比；

將所述第三信噪比和第四信噪比進行相加，獲得第一信噪比。

進一步地，101服務器還用于執(zhí)行：

根據(jù)用戶節(jié)點發(fā)送到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第五信噪比；

根據(jù)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到竊聽節(jié)點的導頻信號計算第六信噪比；

將所述第五信噪比和第六信噪比進行相加，獲得第二信噪比。

服務器101還用于計算安全容量。

具體的計算方法請參考實施例一，在此不再贅述。

根據(jù)最大化系統(tǒng)安全容量原則，通過窮舉法，選定一個與基站對應安全容量最大的用戶節(jié)點進行安全數(shù)據(jù)通信，其他用戶節(jié)點保持靜默。

選定的用戶節(jié)點與基站和中繼節(jié)點進行安全數(shù)據(jù)傳輸，以固定速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并對中繼節(jié)點進行無線充電，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。

本實施例提供的多用戶能量采集協(xié)作網(wǎng)絡物理層的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過中繼對接收的能量進行采集，減少了中繼對能量的額外消耗，同時還可以充分利用系統(tǒng)的分集增益，隨著用戶數(shù)的增加能迅速提升系統(tǒng)的安全性能，將增強多用戶安全能量采集中繼網(wǎng)絡的適用性，并為未來無線網(wǎng)絡的設計和性能提升提供理論支撐。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。