[发明专利]一种无线携能协作系统的保密传输方法

说明书

本发明属于物理层安全技术领域，提出一种无线携能协作系统的保密传输方法，所述传输方法包括综合考虑能量收集约束与协同干扰性能的基础上实现系统保密速率最大化；系统中继节点具有多根天线且工作在全双工模式，采用功率切换模式进行能量收集和数据收发，在转发信息信号的同时发送人工噪声进行协同干扰，并采用波束赋形技术，通过调节天线阵列矩阵，提高目的节点接收信噪比；本发明综合考虑能量收集约束和协同干扰性能，以最大化保密速率为目标函数，求解能量收集因子和协同干扰功率分配因子的最优值；仿真结果表明提出的保密传输方案能有效提高系统的保密速率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是物理层安全技术领域，涉及一种无线携能协作系统的保密传输方法。

背景技术

近年来，研究人员提出了基于射频(Radio Frequency，简称RF)信号的能量采集方案，即射频信号在传输信息的同时传输能量，该传输方式定义为无线携能传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，简称SWIPT)，这对于电池容量有限的器件是一种很有前途的能量补充方法。该系统可以工作在时间切换(TimeSwitching，简称TS)模式和功率切换(Power Switching，简称PS)模式来处理数据的传输和能量的采集。然而，成千上万个移动设备的连接和无线接入使得这一应用场景中的安全和隐私问题更加严重，仅依靠提高加密计算复杂度来保证信息安全的传统公钥密钥体制面临巨大的挑战。如信息论和密码学表明，无线通信可以利用无线信道传输的缺陷来增强系统的安全性，而不需要传统密码体制中的共享密钥，这种技术称为物理层安全(PhysicalLayer Security，简称PLS)技术。PLS技术可以利用干扰、噪声和衰落等信道的不完美特性来防止合法用户被窃取信息。波束赋形技术和协作通信技术是常用的提高物理层安全性能的有效途径。波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，通过设计适当的预编码矩阵和调整天线阵元的加权系数，以获得方向波束，从而提高合法接收机的接收质量。协作通信技术可以通过中继提供协作分集来对抗信道衰落。根据中继节点接收信号的不同处理方法，提出了三种比较常用的协议：放大转发(Amplify-and-Forward)、解码转发(Decode-and-Forward)和编码协作(Coded Cooperation)。协作节点除了对信号进行转发外，还可以发送人工噪声(Artificial Noise)进行协作干扰以提高系统的安全性。

目前大部分研究中，协作系统的中继节点通常工作在半双工模式，并且以TS模式进行能量的收集和数据的传输。在半双工模式下传输一个数据包需要两个时隙，频谱效率损失50％。此外，TS模式需要用一个时隙来收集能量，一个时隙用于数据传输，比较浪费资源。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出基于多天线全双工中继在PS模式下保密通信模型以及保密传输方案。在该方案中，综合考虑能量收集约束和协同干扰安全性能，以最大化安全速率为目标函数，求解能量收集因子和协同干扰功率分配因子的最优值。本发明中由于采用全双工传输，从而可以在同一频带同时接收和传输信号，从而避免了频谱效率的浪费。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案。

一种无线携能协作系统的保密传输方法，所述方法包括以下步骤：

S1、构建无线携能协作系统模型，其包括源节点S、目的节点D、单天线窃听节点E和具有多天线全双工中继节点R；

S2、源节点将数据传输到中继节点时，中继节点以功率切换模式从接收到的射频信号进行能量收集，达到一定能量后，即P_r＝αη||h_sr||²P_s，P_r为中继节点的发射功率；P_s为源节点的发射功率；η表示能量转换效率；h_sr为源节点到中继节点的信道系数；再对信息进行解码转发，其中，该一定能量能够使得用于数据转发和用于解码的数据适中，从而使得数据转发的速率较快，误码率较低，系统性能最佳。