CN109600813B - 一种保障信息安全的无线携能中继***及方法 - Google Patents

一种保障信息安全的无线携能中继***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，为保障信息安全的无线携能中继***及方法，其***包括：一个源端、多个中继端、一个合法接收端、一个能量收集端和一个窃听者；每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接；构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题，通过交替优化方法得到保障物理层安全的各个中继端上的局部最优安全波束成形矩阵。本发明能够实现中继的信息波束和能量波束对准目标用户，提高了中继无线通信***的频谱和能量资源利用率，同时保障了***的信息通信安全。

Description

一种保障信息安全的无线携能中继***及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种保障信息安全的无线携能中继***及方法。
背景技术
作为解决信道衰落和能量衰减问题的关键技术，中继技术特别适合与能量受限的网络结合。无线能量收集技术是特别适合解决能量受限网络能量短缺问题的关键技术。因此，中继技术与能量收集技术的结合对于能量受限网络的研究是具有重要意义的。
近年来，使用可信任的中继提高物理层安全性能的协作传输方式吸引了越来越多的关注。协作安全传输主要有三种中继协议：放大转发和解码转发。对于这些协议，最常见的设计目标就是通过恰当选择中继端的波束成形权重来最大化安全速率。放大转发策略因其策略简单更普遍适用各种场景的中继节点。然而，采用放大转发策略的安全波束成形问题更难解决，这是因为中继端放大了噪声。为了解决这个问题，次优和保守的方案是零空间波束成形方案，即使得信息波束完全置于窃听者的零空间里。但是基于零空间的波束成形方案频谱效率和能量效率没有得到充分利用。
发明内容
为了解决现有中继传输技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种保障信息安全的无线携能中继***，能够实现中继的信息波束和能量波束对准目标用户，提高了中继无线通信***的频谱和能量资源利用率，同时保障了***的信息通信安全。
本发明还提供一种保障信息安全的无线携能中继方法。
本发明中继***采用以下技术方案：一种保障信息安全的无线携能中继***，包括：一个源端、多个中继端、一个合法接收端、一个能量收集端和一个窃听者；每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接；
构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题，通过交替优化方法得到保障物理层安全的各个中继端上的局部最优安全波束成形矩阵。
优选地，所述无线携能中继***是一个两跳放大转发多中继网络，每个中继端配备N根天线；能量接收端配备M根天线；源端、合法接收端、窃听者均配备单天线。
优选地，源端和合法接收端之间没有直接链路连接，在第一个时隙里，源端发送信号到中继端；在第二个时隙里，中继端将接收信号与一个波束成形矩阵相乘并且转发到合法接收端和能量接收端，同时窃听者进行窃听。
本发明中继方法采用以下技术方案：一种保障信息安全的无线携能中继方法，包括以下步骤：
S1、在两跳放大多中继网络中，每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接；每个中继端配备有N根天线，能量接收端配备M根天线，源端、合法接收端、窃听者均配备单天线；
令
Figure BDA0001892850060000021
分别表示从源端到第k个中继端，从第k个中继端到合法接收端，从第k个中继端到窃听者的信道；
Figure BDA0001892850060000022
表示从第k个中继端到能量接收端的信道；
Figure BDA0001892850060000023
和
Figure BDA0001892850060000024
都是零均值和单位方差的独立同分布复高斯随机变量；Fk∈CN×N表示第k个中继端的波束成形矩阵，
Figure BDA0001892850060000025
σ2为合法接收端和窃听者的加性高斯白噪声功率，Ps为源端发送功率，F＝diag(F1,F2,…,FK),
Figure BDA0001892850060000026
令无线能量约束为：
Figure BDA0001892850060000027
其中
Figure BDA0001892850060000028
表示从第k个中继端到能量接收端的信道，Q为能量接收端的预设能量收集门限；
令各中继端单独功率约束为：
Figure BDA0001892850060000029
其中，Pk为第k个中继端可允许的最大发送功率；
保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率为：
Figure BDA00018928500600000210
S2、构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题为：
Figure BDA00018928500600000211
其中，
Figure BDA00018928500600000212
Figure BDA0001892850060000031
Figure BDA0001892850060000032
Figure BDA0001892850060000033
Figure BDA0001892850060000034
Figure BDA0001892850060000035
Figure BDA0001892850060000036
Figure BDA0001892850060000037
对上述安全可达速率最大化问题进行秩1松弛，令
Figure BDA0001892850060000038
Figure BDA0001892850060000039
和
Figure BDA00018928500600000310
Figure BDA00018928500600000311
求解以上秩1松弛问题的局部最优解；
S3、初始化:n＝0，n为迭代次数；
Figure BDA00018928500600000312
Xn为KN2×KN2的单位阵,∈为一个正数，计算Rs(Xn)；
S4、固定Xn，求解
Figure BDA00018928500600000313
Figure BDA00018928500600000314
S5、固定
Figure BDA00018928500600000315
用内点法求解以下凸优化问题，得到Xn+1：
Figure BDA00018928500600000316
S6、n＝n+1，计算Rs(Xn+1)，通过S2和S3，交替更新
Figure BDA00018928500600000317
和Xn+1，直至收敛，即Rs(Xn+1)-Rs(Xn）＜∈；得到秩1松弛问题的局部最优解X*＝Xn+1；
S7、如果X*是秩1解，通过特征分解得到安全可达速率最大化问题的最优秩1解f*，如果X*不是秩1解，通过高斯随机化得到安全可达速率最大化问题的次优秩1解f；最后将f矩阵化得到各中继的波束成形矩阵Fk。
本发明能够使得中继传输***在保障物理层安全通信的同时，频谱和能量资源得到有效、充分的利用，并通过优化设计各中继端的波束成形矩阵，解决多中继***可达安全速率最大化问题。本发明相对于现有技术，具有如下的有效效果：
构造保障物理层安全通信的安全可达速率最大化问题，通过交替优化方法得到各中继端的安全波束成形矩阵，在满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的同时，使得***的安全可达速率达到局部最优。本发明能够实现中继的信息波束和能量波束对准目标用户，提高了中继无线通信***的频谱和能量资源利用率，同时保障了***的信息通信安全。
附图说明
图1为本发明***模型图。
图2为本发明在配置不同中继数，不同无线能量约束下，平均可达安全速率随中继发送功率变化的性能效果图。
图3为本发明在配置不同中继数，交替迭代算法的收敛性能效果图。
图4为本发明仿真实验的基本流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-4所示，本发明保障信息安全的无线携能中继***，包括：一个源端、多个中继端、一个合法接收端、一个能量收集端和一个窃听者，每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接。无线携能中继***是一个两跳放大转发多中继网络，在本实施例中，包括K个多天线中继端，每个中继端配备N根天线；能量接收端配备M根天线；源端、合法接收端、窃听者，这三个节点均配备单天线。假设源端和合法接收端之间没有直接链路连接，在第一个时隙里，源端发送信号到中继端；在第二个时隙里，中继端将接收信号和一个波束成形矩阵相乘并且转发到合法接收端和能量接收端，同时窃听者进行窃听。考虑中继节点知道整个网络的信道状态信息，整个两跳放大转发多中继网络工作于时分复用模式。
本发明基于交替优化的中继波束成形矩阵优化算法，构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题，通过交替优化方法得到保障物理层安全的无线携能中继***各个中继端上的局部最优安全波束成形矩阵。
在本实施例中，令
Figure BDA0001892850060000041
分别表示从源端到第k个中继端，从第k个中继端到合法接收端，从第k个中继端到窃听者的信道；
Figure BDA0001892850060000042
表示从第k个中继端到能量接收端的信道，
Figure BDA0001892850060000043
Pk为第k个中继端可允许的最大发送功率；Fk∈CN×N表示第k个中继端的波束成形矩阵，
Figure BDA0001892850060000051
σ2为合法接收端和窃听者处的加性高斯白噪声功率；Ps为源端发送功率；Q为能量接收端的预设能量收集门限；安全可达速率为：
Figure BDA0001892850060000052
无线能量约束为：
Figure BDA0001892850060000053
各中继端单独功率约束为：
Figure BDA0001892850060000054
其中，Pk为第k个中继端可允许的最大发送功率。
构造如下保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题：
Figure BDA0001892850060000055
其中，
Figure BDA0001892850060000056
Figure BDA0001892850060000057
Figure BDA0001892850060000058
Figure BDA0001892850060000059
Figure BDA00018928500600000510
Figure BDA00018928500600000511
Figure BDA00018928500600000512
Figure BDA00018928500600000513
以上优化问题的目标函数为安全可达速率；第一条约束为各中继端单独功率约束；第二条约束为无线能量约束；优化变量为各中继端的波束成形矩阵的向量化表示。
基于交替优化求解安全可达速率最大化问题。首先对上述安全可达速率最大化问题进行秩1松弛，即令
Figure BDA00018928500600000514
忽略非凸的秩1约束，将所述的安全可达速率最大化问题转换为如下秩1松弛问题：
Figure BDA0001892850060000061
Figure BDA0001892850060000062
Tr(D6X)≥Q.
其中：
Figure BDA0001892850060000063
且：
Figure BDA0001892850060000064
和
Figure BDA0001892850060000065
求解以上秩1松弛问题的局部最优解包括以下步骤：
(1)初始化:n＝0，n为迭代次数；
Figure BDA0001892850060000066
Xn为KN2×KN2的单位阵,∈为一个很小的正数,计算Rs(Xn)；
(2)固定Xn，求解
Figure BDA0001892850060000067
Figure BDA0001892850060000068
(3)固定
Figure BDA0001892850060000069
用内点法求解以下凸优化问题，得到Xn+1：
Figure BDA00018928500600000610
(4)n＝n+1，计算Rs(Xn+1),通过步骤(2)和步骤(3)，交替更新
Figure BDA00018928500600000611
和Xn+1，直至Rs(Xn+1)收敛，即Rs(Xn+1)-Rs(Xn)＜∈。
(5)得到所述秩1松弛问题的局部最优解X*＝Xn+1。
如果X*是秩1解，通过特征分解得到原安全可达速率最大化问题的最优秩1解f*，如果X*不是秩1解，通过高斯随机化得到原安全可达速率最大化问题的次优秩1解f。最后，将f矩阵化得到各中继的波束成形矩阵Fk。
参见图4，本实施例的一种保障信息安全的无线携能中继方法，具体实现包括以下步骤：
步骤1.在两跳放大多中继网络中，每个中继端配备有N＝2根天线，能量接收端配备M根天线，源端、合法接收端、窃听者均配备单天线。
如无特别声明，仿真实现中Ps/σ2＝10dB，Q/σ2＝2dB，M＝2，σ2＝1。假定所有的信道响应
Figure BDA0001892850060000071
和
Figure BDA0001892850060000072
都是零均值和单位方差的独立同分布复高斯随机变量。仿真中生成了500个随机的信道实现来计算平均可达安全速率。单独中继功率约束Pk设置如下：当k为奇数时Pk＝0.5Pr/K,当k为偶数时Pk＝2Pr/K。令Fk∈CN×N表示第k个中继端的波束成形矩阵，
Figure BDA0001892850060000073
步骤2.构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题为：
Figure BDA0001892850060000074
其中，
Figure BDA0001892850060000075
Figure BDA0001892850060000076
Figure BDA0001892850060000077
Figure BDA0001892850060000078
Figure BDA0001892850060000079
Figure BDA00018928500600000710
Figure BDA00018928500600000711
Figure BDA00018928500600000712
对上述安全可达速率最大化问题进行秩1松弛，令
Figure BDA00018928500600000713
Figure BDA00018928500600000714
和
Figure BDA00018928500600000715
Figure BDA00018928500600000716
求解以上秩1松弛问题的局部最优解。
步骤3.初始化:n＝0，n为迭代次数；
Figure BDA00018928500600000717
Xn为KN2×KN2的单位阵,∈为一个很小的正数，计算Rs(Xn)；
步骤4.固定Xn，求解
Figure BDA00018928500600000718
Figure BDA00018928500600000719
步骤5.固定
Figure BDA00018928500600000720
用内点法求解以下凸优化问题，得到Xn+1：
Figure BDA0001892850060000081
步骤6.通过步骤(2)和步骤(3)，交替更新
Figure BDA0001892850060000082
和Xn+1，直至收敛，即Rs(Xn+1)-Rs(Xn)＜∈。得到所述秩1松弛问题的局部最优解X*＝Xn+1。
步骤7.如果X*是秩1解，通过特征分解得到原安全可达速率最大化问题的最优秩1解f*，如果X*不是秩1解，通过高斯随机化得到原安全可达速率最大化问题的次优秩1解f。最后，将f矩阵化得到各中继的波束成形矩阵Fk。
通过本实施例，可以获得图2的平均可达安全速率随中继发送功率变化的性能效果图以及图3交替迭代算法的收敛性能效果图。从图3的两组曲线都可以看到，当中继端的和功率较小时，无能量约束的平均可达安全速率大于能量约束为6dB的情况，能量约束6dB的平均可达安全速率大于能量约束为10dB的情况。从图3还可以看出中继数K＝4的各能量约束的平均可达安全速率均大于中继数K＝2的各能量约束下的平均可达安全速率。图3的性能曲线表明了所述***的合理性和有效性。
从图2中可以看出迭代次数随着功率的增加而增加，当中继端发送和功率为20dB时，迭代次数在20次左右。图2的性能曲线表明了所述***中提出的基于交替优化的安全中继波束成形算法的快速收敛性。
以上所述，仅为本发明专利发明较佳/优选的实施方式，但发明专利的保护范围不局限于此，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，包括：一个源端、多个中继端、一个合法接收端、一个能量收集端和一个窃听者；每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接；
构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题，通过交替优化方法得到保障物理层安全的各个中继端上的局部最优安全波束成形矩阵；
所述安全可达速率为：
Figure FDA0002506069640000011
其中Fk∈CN×N表示第k个中继端的波束成形矩阵，
Figure FDA0002506069640000012
σ2为合法接收端和窃听者的加性高斯白噪声功率，Ps为源端发送功率，F＝diag(F1，F2，...，FK)，
Figure FDA0002506069640000013
Figure FDA0002506069640000014
分别表示从源端到第k个中继端，从第k个中继端到合法接收端，从第k个中继端到窃听者的信道；
所述无线能量约束为：
Figure FDA0002506069640000015
其中
Figure FDA0002506069640000016
表示从第k个中继端到能量接收端的信道，Q为能量接收端的预设能量收集门限；
所述各中继端单独功率约束为：
Figure FDA0002506069640000017
其中，Pk为第k个中继端可允许的最大发送功率；
所述保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题为：
Figure FDA0002506069640000018
Figure FDA0002506069640000019
Figure FDA00025060696400000110
其中，
Figure FDA00025060696400000111
Figure FDA00025060696400000112
Figure FDA00025060696400000113
Figure FDA00025060696400000114
Figure FDA0002506069640000021
Figure FDA0002506069640000022
Figure FDA0002506069640000023
Figure FDA0002506069640000024
Jk是一个KN2×KN2的对角矩阵，其中有N2个对角元素为1，其余对角元素为0，为1的对角元素的位置从第(k-1)N2+1个对角元素到第kN2个对角元素。
2.根据权利要求1所述的保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，所述无线携能中继***是一个两跳放大转发多中继网络，每个中继端配备N根天线；能量接收端配备M根天线；源端、合法接收端、窃听者均配备单天线。
3.根据权利要求1或2所述的保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，源端和合法接收端之间没有直接链路连接，在第一个时隙里，源端发送信号到中继端；在第二个时隙里，中继端将接收信号与一个波束成形矩阵相乘并且转发到合法接收端和能量接收端，同时窃听者进行窃听。
4.根据权利要求2所述的保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，所述两跳放大转发多中继网络工作于时分复用模式。
5.根据权利要求1所述的保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，基于交替优化方法求解所述安全可达速率最大化问题：首先对安全可达速率最大化问题进行秩1松弛，即令
Figure FDA0002506069640000025
忽略非凸的秩1约束，将安全可达速率最大化问题转换为如下秩1松弛问题：
Figure FDA0002506069640000026
Figure FDA0002506069640000027
Tr(D6X)≥Q.
其中，
Figure FDA0002506069640000028
且
Figure FDA0002506069640000029
和
Figure FDA00025060696400000210
6.根据权利要求5所述的保障信息安全的无线携能中继***，其特征在于，基于交替优化方法求解所述秩1松弛问题的局部最优解，得到所述安全可达速率最大化问题的最优或次优秩1解；求解秩1松弛问题的局部最优解包括以下步骤：
(1)初始化：n＝0，n为迭代次数；Xn为KN2×KN2的单位阵，∈为一个正数；
(2)固定Xn，求解
Figure FDA0002506069640000031
Figure FDA0002506069640000032
(3)固定
Figure FDA0002506069640000033
用内点法求解以下凸优化问题，得到Xn+1：
Figure FDA0002506069640000034
Figure FDA0002506069640000035
Tr(D6X)≥Q
(4)n＝n+1，计算Rs(Xn+1)，通过步骤(2)和步骤(3)，交替更新
Figure FDA0002506069640000036
和Xn+1，直至收敛，即Rs(Xn+1)-Rs(Xn)＜∈；
(5)得到所述秩1松弛问题的局部最优解X*＝Xn+1；
如果X*是秩1解，通过特征分解得到安全可达速率最大化问题的最优秩1解f*；如果X*不是秩1解，通过高斯随机化得到安全可达速率最大化问题的次优秩1解f；最后将f矩阵化得到各中继端的波束成形矩阵Fk。
7.一种保障信息安全的无线携能中继方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在两跳放大多中继网络中，每个中继端分别与源端、合法接收端、能量收集端和窃听者连接；每个中继端配备有N根天线，能量接收端配备M根天线，源端、合法接收端、窃听者均配备单天线；
令
Figure FDA0002506069640000037
分别表示从源端到第k个中继端，从第k个中继端到合法接收端，从第k个中继端到窃听者的信道；
Figure FDA0002506069640000038
表示从第k个中继端到能量接收端的信道；
Figure FDA0002506069640000039
和
Figure FDA00025060696400000310
都是零均值和单位方差的独立同分布复高斯随机变量；Fk∈CN×N表示第k个中继端的波束成形矩阵，
Figure FDA00025060696400000311
σ2为合法接收端和窃听者的加性高斯白噪声功率，Ps为源端发送功率，F＝diag(F1，F2，...，FK)，
Figure FDA00025060696400000312
令无线能量约束为：
其中
Figure FDA00025060696400000314
表示从第k个中继端到能量接收端的信道，Q为能量接收端的预设能量收集门限；
令各中继端单独功率约束为：
Figure FDA0002506069640000041
其中，Pk为第k个中继端可允许的最大发送功率；
保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率为：
Figure FDA0002506069640000042
S2、构造保障物理层安全通信、满足无线能量约束和各中继端单独功率约束的安全可达速率最大化问题为：
Figure FDA0002506069640000043
Figure FDA0002506069640000044
Figure FDA0002506069640000045
其中，
Figure FDA0002506069640000046
Figure FDA0002506069640000047
Figure FDA0002506069640000048
Figure FDA0002506069640000049
Figure FDA00025060696400000410
Figure FDA00025060696400000411
Figure FDA00025060696400000412
Figure FDA00025060696400000413
对上述安全可达速率最大化问题进行秩1松弛，令
Figure FDA00025060696400000414
Figure FDA00025060696400000415
和
Figure FDA00025060696400000416
Figure FDA00025060696400000417
求解以上秩1松弛问题的局部最优解；
S3、初始化：n＝0，n为迭代次数；
Figure FDA00025060696400000418
Xn为KN2×KN2的单位阵，∈为一个正数，计算Rs(Xn)；
S4、固定Xn，求解
Figure FDA00025060696400000419
Figure FDA00025060696400000420
S5、固定
Figure FDA0002506069640000051
用内点法求解以下凸优化问题，得到Xn+1：
Figure FDA0002506069640000052
Figure FDA0002506069640000053
Tr(D6X)≥Q
S6、n＝n+1，计算Rs(Xn+1)，通过S2和S3，交替更新
Figure FDA0002506069640000054
和Xn+1，直至收敛，即Rs(Xn+1)-Rs(Xn)＜∈；得到秩1松弛问题的局部最优解X*＝Xn+1；
S7、如果X*是秩1解，通过特征分解得到安全可达速率最大化问题的最优秩1解f*，如果X*不是秩1解，通过高斯随机化得到安全可达速率最大化问题的次优秩1解f；最后将f矩阵化得到各中继的波束成形矩阵Fk。
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