[发明专利]一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法

说明书

本发明公开了一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，包括信源、中继及多个信宿节点，所有节点均为单天线；信号的安全传输过程分为三个时隙完成，在第一时隙中，中继节点将接收到信源发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源将有用信息发送给中继，在第三时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿；第一中继所采集到的能量全部被用于第三时隙的信息转发，且中继在三个时隙均为半双工工作模式；中继从多用户中选择一个接收信噪比最大的用时隙户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户。本发明将协作技术与时分能量采集技术相结合，降低了窃听信道的接收信噪比，提升了网络的安全性能。

技术领域

本发明涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法。

背景技术

随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性。

多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。

近几年，对于无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。无线能量采集技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用能量采集技术的协同中继网络的研究显得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，通过将协作技术与时分能量采集技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信号的安全传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：

在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；

在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；

在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。

中继节点在第一时隙内采集到的能量表示为：

其中，0<α<1，α表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，P_S表示信源节点的发送功率，d_SR表示信源节点到中继节点的距离，ρ表示路径损耗因子，h_SR表示信源节点至中继节点的信道参数。

在第二时隙内，信源节点将有用信息发送给中继节点，中继节点接收到的信号表示为：