CN110430566B - 一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，传输私密信息和干扰信息；中继R_i和R_j采用能量收割机制收割部分接收传输的干扰信息能量，中继R_i采用放大转发中继协议转发私密信息和干扰信息，中继R_j采用解码转发方案发送新的干扰信息，接收端和窃听端均收到中继传输信息，通过设计干扰信息，消除干扰对合法用户影响，完成源节点私密信息的安全传输。采用本发明方法提升了网络的能量效率，延长了中继工作时间。

Description

一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信网络安全传输的方案设计，具体涉及一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法。

背景技术

由于无线通信网络的广播特性，任何在通信网络传输范围内的用户都可以收到信息，因此无线通信网络面临着窃听的威胁。然而传统的上层密钥加密技术假设窃听节点的计算能力有限，不能应对未来窃听节点硬件发展的威胁。物理层安全技术利用无线信道的物理特征来保护信息，可以很好的满足未来通信网络安全传输需求。

协作中继和协作干扰是两种常用的物理层安全方案。在协作中继方案中，中继节点协助合法用户提升网络的合法传输速率；在协作干扰方案中，协作节点采用干扰机制干扰窃听节点接收合法信息。此外，目前也有方案联合协作中继和协作干扰来提升网络的安全性。然而，目前已有的协作安全传输方案中，干扰信息会干扰合法用户接收信息，降低了合法用户的传输速率，从而也降低了网络的安全性。因此，针对干扰信息带来的不利影响，本专利提出一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方案，消除干扰在合法节点的影响，从而适应下一代网络安全传输的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，消除干扰在合法节点的影响，消除干扰影响，从而提升用户的安全性；同时，利用收集到的能量作为发射功率，对私密信息进行保护，提高两跳多中继网络的私密性能和能量效率，从而适应下一代网络安全传输的需求。

本发明采用以下技术方案：

一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，包括以下步骤：

S1、传输私密信息和干扰信息；

S2、中继R_i和R_j采用能量收割机制收割部分接收步骤S1传输的干扰信息能量，中继R_i采用放大转发中继协议转发私密信息和干扰信息，中继R_j采用解码转发方案发送新的干扰信息，接收端和窃听端均收到中继传输信息，通过设计干扰信息，消除干扰对合法用户影响，完成源节点私密信息的安全传输。

具体的，步骤S1中，私密信息的安全速率为：

R_sec＝(C_ab-C_ae)⁺

其中，(a)⁺＝max(0,a)，C_ab为接收端的认知传输速率，C_ae为窃听端的认知信息解码速率。

具体的，中继R_i处接收到步骤S1的信息为：

其中，β₁为R_i处的功率分割系数，P_s为发送端的传输功率，α为发送端的功率分配系数，h_ai为发送端到中继R_i的路径增益，x_s为归一化的认知私密信息，x_j为归一化的干扰信息，n_i为R_i处的接收噪声；

根据能量收割机制，中继R_i处收集的能量：

其中，η为能量转换效率系数；g_ai为发送端到中继R_i的信道功率增益。

具体的，中继R_j处接收到步骤S1的信息为：

其中，β₂为R_j处的功率分割系数，h_aj为发送端到中继R_j的路径增益，n_j为R_j处的接收噪声

根据能量割原理，中继R_j处收集的能量为：

其中，g_aj为发送端到中继R_j的信道功率增益。

进一步的，中继R_j处的干扰信号x_rj满足下式：

。

具体的，步骤S2中，接收端接收到的信息为：

其中，N₀为噪声方差，P_i和P_j分别为R_i和R_j传输的最大功率h_ib和h_jb分别为R_i和R_j到接收端的路径增益，x_rj为R_j转发的干扰信号，g_ai为发送端到中继R_i的信道功率增益，n_b为接收节点的噪声变量；

接收端信息的传输速率为

其中，g_ib和g_jb分别为R_i和R_j到接收端的信道功率增益；

具体的，步骤S2中，窃听端接收到的信息为：

其中，h_ie为R_i到窃听端的路径增益，h_je为R_j到窃听端的信道系数，n_e为窃听端的噪声变量；

窃听端的窃听速率为：

其中，g_ie和g_je分别为R_i和R_j到窃听端的信道功率增益。

具体的，步骤S2中传输方法的传输中断概率为：

其中，λ_ai为发送端到R_i的信道方差，λ_ib为R_i到接收端的信道方差，R_b为网络的目标传输速率，K₁(·)为一阶第二类修正贝塞尔函数。

具体的，步骤S2中传输方法的安全中断概率为：

其中，λ_ie为R_i到窃听端的信道方差，λ_je为R_j到窃听端的信道方差，R_e为网络的目标窃听速率，₂F₁(·)为超几何级数。

进一步的，步骤S2中传输方法的安全传输概率为：

。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明公开的一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方案，两个中继利用发送节点的射频谱信息收集能量，从而协助合法用户信息安全传输。具体来说，本发明所提的安全传输策略分为两个阶段实施。在第一阶段，发送端通过功率分配方法分别传输私密信息和干扰信息。中继从接收到的一部分射频信号中获取能量后，一个中继采用放大转发中继协议辅助信息安全传输，另一个中继将发送新设计的干扰信息，以消除干扰信息对合法接收端的影响。对于该方案，我们设计了中继发送的干扰信息并分析了网络传输中断概率、安全中断概率和安全传输概率，并推导了它们的闭式表达式。仿真结果验证了该方案的性能分析结果，表明了该方案在遍历安全传输速率方面的性能优势。

进一步的，中继R_i利用部分射频信息进行能量收割可以提升网络的能量效率，延长中继工作时间，同时中继R_i也能利用剩余信息为发送端提供信息安全中继服务。

进一步的，中继R_j利用部分射频信息进行能量收割可以提升网络的能量效率，延长中继工作时间，同时中继R_j也能利用剩余信息为发送端提供信息安全中继服务。

进一步的，接收端接收到R_i放大转发的信息和R_j发送的干扰信息，通过对干扰信息进行分析，可以设计R_j发送的干扰信息。

进一步的，窃听端接收到R_i放大转发的信息和R_j发送的干扰信息，R_i和R_j发送的干扰信息可以干扰窃听端，从而提升网络的安全性。

进一步的，接收端接收到R_i转发的干扰信息和R_j发送的干扰信息，为了消除干扰信息对合法用户的影响，R_j发送的干扰信息与R_i放大转发的干扰信息应相互抵消，从而可以提升合法用户的传输速率及安全性。

进一步的，根据接收端和窃听端收到私密信息，推荐得到相应的合法速率及窃听速率。考虑高信噪比情况下，得到合法速率及窃听速率的近似值。

进一步的，根据分析得到合法速率及窃听速率，可以得到网络的安全速率，这为网络的设计及分析提供了依据。

进一步的，通过分析及推导可以得到传导传输中断概率的闭式解，这可以直观的反映网络发送端到接收端信息的传输性能，为网络设计提供依据。

进一步的，通过分析及推导可以得到传导安全中断概率的闭式解，这可以直观的反映网络发送端到窃听端信息的安全性能，为网络安全传输设计提供依据。

进一步的，通过分析及推导可以得到安全传输概率的闭式解，这可以直观的反映网络安全传输的性能，为网络合理利用资源提供依据。

综上所述，本发明公开的一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方案。在此方案中，两个中继利用发送节点的射频谱信息收集能量，从而协助合法用户信息安全传输，提升了网络的能量效率，延长了中继工作时间。通过合理设计传输方案及干扰信息，可以消除干扰信息对合法用户的影响，提升网络的安全性能。通过分析并推导得到所提方案的传输中断概率、安全中断概率和安全传输概率，为本方案的实施提供了直观依据。仿真结果验证了该方案的性能分析结果，表明了该方案在遍历安全传输速率方面的性能优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于能量收集的双跳中继网络的***模型图；

图2为***的遍历私密容量图，其中，(a)为遍历安全速率与安全中断概率关系的仿真图，(b)为遍历安全速率与发送端发射功率关系的仿真图，(c)遍历安全速率与目标传输速率关系的仿真图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，考虑一个五节点的传输网络，合法用户Alice想要安全可靠地传输信息给Bob，Eve会对Alice的传输数据进行窃听。两个中继从发送节点发送的部分射频信息中收集能量，以协助安全传输。假设网络经历了独立平稳的瑞利衰落，即：在每一帧内，信道状态保持不变，而在不同的帧间，信道状态独立变化。此外，每个数据帧分为两个时隙，分别对应于私密信息与干扰信息的传输和能量收集。两个中继分别采用放大转发和解码转发方案，协助合法信息安全传输，并消除干扰信息对合法用户的影响。最后，通过先分析了传输中断概率、安全中断概率和安全传输概率，并推导了它们的闭合表达式。数值结果验证了该方案的性能分析结果，表明了该方案在遍历安全传输速率方面的性能优势。

本发明一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，包括以下步骤：

S1、发送节点传输私密信息和干扰信息；

S2、在接收到步骤S1的信号后，中继R_i和R_j采用能量收割机制收割部分接收信号的能量，随后，中继R_i采用放大转发中继协议转发私密信息和干扰信息，中继R_j采用解码转发方案发送新的干扰信号，接收端和窃听端都会收到中继传输信息。通过设计干扰信息，消除干扰对合法用户影响，从而完成源节点私密信息的安全传输。

源节点采用功率分配方法发送私密信息及干扰信息，中继R_i处接收到信号：

其中，β₁为R_i处的功率分割系数，P_s为发送端的传输功率，α为发送端的功率分配系数，h_ai为发送端到中继R_i的路径增益，x_s为归一化的认知私密信息，x_j为干扰信息，n_i为R_i处的接收噪声。

根据能量收割机制，中继R_i处收集的能量：

其中，η为能量转换效率系数，在[0,1]上取值；g_ai为发送端到中继R_i的信道功率增益。

中继R_j处接收到信号：

其中，β₂为R_j处的功率分割系数，h_aj为发送端到中继R_j的路径增益，n_j为R_j处的接收噪声。

根据能量割原理，中继R_j处收集的能量：

其中，g_aj为发送端到中继R_j的信道功率增益。

接收节点的信号为：

其中，N₀为噪声方差，P_i和P_j分别为R_i和R_j传输的最大功率，h_ib和h_jb分别为R_i和R_j到接收端的路径增益，x_rj为R_j转发的干扰信息，g_ai为发送端到中继R_i的信道功率增益，n_b为接收节点的噪声变量。

结合中继R_i和R_j处的信号，窃听端收到私密信息为：

其中，h_ie为R_i到窃听端的路径增益，h_je为R_j到窃听端的信道系数，n_e为窃听端的噪声变量。

为了减少接收端的干扰，R_j处的干扰信号x_rj应该满足下式：

然而，由于

其中，h_je为R_j到窃听端的路径增益，因此，中继R_j处的干扰信号可以消除干扰信息对发送端的影响，提升网络的安全性。

当发送端发送数据时，接收端的信息传输速率为：

其中，g_ib和g_jb分别为R_i和R_j到接收端的信道功率增益。

此时窃听端也将接收认知私密信息，其对认知信息的解码速率为：

其中，g_ie和g_je分别为中继R_i和R_j到窃听端的信道功率增益。

此时，私密信息的安全速率为：

R_sec＝(C_ab-C_ae)⁺

其中，(a)⁺＝max(0,a)。

由于C_ab和C_ae的表达式太过复杂，所以考虑高信噪比区域以便于分析，则C_ab和C_ae可分别写为：

本发明使用

和

分别替换C_ab和C_ae。

当解码速率低于预定的目标传输速率R_b时，网络会发生传输中断；当窃听端的窃听速率高于目标窃听速率R_e＝R_b-R_s(其中R_s为私密率)时，网络会发生安全中断。

对于提出的方案来说

1)传输中断概率为：

其中，λ_ai为发送端到R_i的信道方差，λ_ib为R_i到接收端的信道方差，R_b为网络的目标传输速率，K₁(·)为一阶第二类修正贝塞尔函数。

2)安全中断概率为：

其中，λ_ie为R_i到窃听端的信道方差，λ_je为R_j到窃听端的信道方差，R_e为网络的目标窃听速率，₂F₁(·)为超几何级数。

3)安全传输概率为：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真验证

1)从图2中的(a)中可以看出，随着私密中断概率限制的增大，***的遍历安全传输速率也将变大。这是因为，安全中断概率限制越大，越容易满足网络的安全传输要求，因此遍历安全传输速率会随之增大。此外，可以看出来包含两个中继的传统联合协作中继及协作干扰方案，由于干扰信号在接收机处产生的噪声无法抵消，所以安全性比提议方案的低。由于没有协作干扰，传统协作中继方案性能也低于所提方案。

2)从图2中的(b)中可以看出，随着传输功率P_s的增大，***的遍历安全速率也将变大。这是因为，随着P_s的增加，发送端可以提供更多的能量用于中继使用进行安全传输，因此网络的遍历私密安全速率会随之增加。此外，可以看出来包含两个中继的传统联合协作中继及协作干扰方案，由于干扰信号在接收机处产生的噪声无法抵消，所以安全性比提议方案的低。由于没有协作干扰，传统协作中继方案性能也低于所提方案。

3)从图2中的(c)中可以看出，随着目标传输速率R_b的增大，***的遍历安全速率将减小。这是因为，随着R_b的增加，网络很难满足可以靠传输的要求，因此，网络中可以利用的安全传输机会减少，网络的遍历私密安全速率会随之减小。此外，可以看出来包含两个中继的传统联合协作中继及协作干扰方案，由于干扰信号在接收机处产生的噪声无法抵消，所以安全性比提议方案的低。由于没有协作干扰，传统协作中继方案性能也低于所提方案。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于能量收集的两跳多中继网络安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、传输私密信息和干扰信息，私密信息的安全速率为：

R_sec＝(C_ab-C_ae)⁺

其中，(a)⁺＝max(0,a)，C_ab为接收端的认知私密信息传输速率，C_ae为窃听端的认知私密信息解码速率；

S2、中继R_i和R_j采用能量收割机制收割部分接收步骤S1传输的干扰信息，中继R_i采用放大转发中继协议转发私密信息和干扰信息，中继R_j采用解码转发方案发送新的干扰信息，接收端和窃听端均收到中继传输信息，通过设计干扰信息，消除干扰对合法用户影响，完成源节点私密信息的安全传输；

中继R_i处接收到步骤S1的信息为：

其中，β₁为R_i处的功率分割系数，P_s为发送端的传输功率，α为发送端的功率分配系数，h_ai为发送端到中继R_i的路径增益，x_s为归一化的认知私密信息，x_j为归一化的干扰信息，n_i为R_i处的接收噪声；

根据能量收割机制，中继R_i处收集的能量：

其中，η为能量转换效率系数；g_ai为发送端到中继R_i的信道功率增益；

中继R_j处接收到步骤S1的信息为：

其中，β₂为R_j处的功率分割系数，h_aj为发送端到中继R_j的路径增益，n_j为R_j处的接收噪声

根据能量收割原理，中继R_j处收集的能量为：

其中，g_aj为发送端到中继R_j的信道功率增益，中继R_j处的干扰信号x_rj满足下式：

接收端接收到的信息为：

其中，N₀为噪声方差，P_i和P_j分别为R_i和R_j传输的最大功率h_ib和h_jb分别为R_i和R_j到接收端的路径增益，x_rj为R_j转发的干扰信号，n_b为接收节点的噪声变量；

接收端信息的传输速率为

g_ib和g_jb分别为R_i和R_j到接收端的信道功率增益；

窃听端接收到的信息为：

其中，h_ie为R_i到窃听端的路径增益，h_je为R_j到窃听端的信道系数，n_e为窃听端的噪声变量；

窃听端的窃听速率为：

其中，g_ie和g_je分别为R_i和R_j到窃听端的信道功率增益。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中传输方法的传输中断概率为：

其中，λ_ai为发送端到R_i的信道方差，λ_ib为R_i到接收端的信道方差，R_b为网络的目标传输速率，K₁(·)为一阶第二类修正贝塞尔函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中传输方法的安全中断概率为：

其中，λ_ie为R_i到窃听端的信道方差，λ_je为R_j到窃听端的信道方差，R_e为网络的目标窃听速率，₂F₁(·)为超几何级数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中传输方法的安全传输概率为：

其中，λ_ib为R_i到接收端的信道方差。

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