CN110446186A - 车联网中基于swipt的物理层安全通信方法 - Google Patents

车联网中基于swipt的物理层安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车联网***中基于SWIPT的物理层安全方法，首先应用两时隙传输策略，计算端到端信噪比以及窃听设备处接收信号的信噪比，根据所得信噪比计算关于时间分配因子α及功率分配因子ρ的***安全容量Cs(α,ρ)，计算在固定下，最大化对应的α值及相应然后在固定下，得到最大化对应的ρ值及相应若且t＜Im，则令t＝t+1，并进行迭代计算，否则输出最优功率分配比例以及最优时间分配比例，***按该比例进行信息传输，本发明可以同时自适应决定时间分配比例及功率分配比例，比单独的功率分割(PS)或时间分割(TS)更具灵活性；使用有限次迭代便可计算得到最优分配值，复杂度低，且得到的安全容量无限接近通过全局搜索得到的最佳值。

Description

车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法
技术领域
本发明属于交通信息工程及控制领域，具体涉及一种车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法。
背景技术
随着车联网技术的不断发展，车辆间的通信安全问题也变得极为重要。由于无线电信号具有开放性的特点，在传输信息的同时，便存在信息泄露与被窃听的潜在风险。因此，车联网中的安全通信研究是一个重要的研究方向。
另一方面，车联网中负责信息收集和传输的载体随着信息技术的快速发展以及服务需求的日益增加，其所承载的信息量越来越大。为降低车联网络的整体能耗，可将一种基于无线射频信号的能量获取方案，即“无线携能通信(SWIPT)”应用于车联网***中。车辆再接收信息的同时可以收集能量用于信息处理，实现可靠、高效的“绿色通信”。另外，中继协作技术使车联网无线网络中的多个用户按照一定规则共享彼此的天线来进行信息传输，可以形成一个虚拟的多输入多输出网络，以此来延伸通信的覆盖范围、提高***容量以及实现***可靠性。因此，在车联网***中可以结合SWIPT技术和中继协作技术来更好地提升信息传输可靠性、延长网络寿命。
目前，车联网***中SWIPT技术主要有功率分割(PS)、时间分割(TS)以及PS和TS结合等几种方式。在不考虑可能被窃听因素下均给出了其最佳方案。然而，车联网无线***中，窃听设备随时可能存在，从而导致信息泄露。因此，研究车联网***的安全方法是非常有必要的。
发明内容
本发明针对上述车联网***中安全问题，提出车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，在考虑有窃听设备存在的情况下，提高车联网内车辆间通信的安全性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，包括以下步骤：
S1，信息传输过程分为第一时隙和第二时隙，在第一时隙内，源车辆Si广播要传输信息，中继车辆接收源车辆传输的信息，窃听设备窃听源车辆传输的信息，得到源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中，i＝1,2；第一时隙为αT，α为时间分配比例，T为时间块长度；
S2，中继车辆采用SWIPT将接收到的S1中源车辆传输的信息分为两部分，所述两部分信息分配比例为ρ:1-ρ，其中，ρ部分用于能量收集，1-ρ部分的信息进行放大转发；
S3，在第二时隙，即(1-α)T，中继车辆将S2所述1-ρ部分的信息进行放大传输，源车辆Si接收中继车辆R第二时隙传输的信息；
源车辆Si消除所述信息中自身的发射信息部分，进而得到源车辆Si对应的信噪比γi；
窃听设备E窃听中继车辆第二时隙传输的信息，并根据所述信息，识别两个源车辆Si的信息，同时得到中继车辆R到E得到关于Si的发送信息的信噪比其中i＝1,2；
S4，根据S1中得到的源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比S3中得到的中继车辆R到E关于源车辆Si发送信息的信噪比以及源车辆接收信号的信噪比，进而得到***的安全容量Cs(α,ρ)；
S5，固定功率分配比例得到最大化对应的值即可得到
S6，固定时间分配比例得到最大化对应的值即可得到
S7，计算S5所得和S6所得的差值，若则执行S8，否则令t＝t+1，并执行S5-S7，直到t为最大迭代次数；
S8，确定最优功率分配比例以及最优时间分配比例按照所述分配比例基于SWIPT的物理层安全地进行通信。
S1中，源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中P为源车辆的信号发射功率，gi表示源车辆窃听设备的信道系数，δ2表示平均信道噪声功率，且
S3中，源车辆Si对应的信噪比为
中继车辆R到E关于Si的发送信息的信噪比为
其中，η为能量转换效率，hi表示源车辆到中继车辆的信道系数，gr表示中继车辆到窃听设备的信道系数，E0表示中继车辆接收信号的总能量，即E0＝P(|h1|2+|h2|2)。
S4所得安全容量为：
S5中，最优时间分配比例
其中，其中，i＝1,2，W(·)为朗伯W函数，α0通过在α1与α2间进行二分查找得到，e为自然对数函数的底数；
S6中，
其中，
S3中中继车辆用所有S2中收集来的能量将信息进行放大传输。
S3中，源车辆Si用串行干扰消除技术消除所述信息中自身的发射信息部分。
S7所述最大迭代次数Im＝10，最大误差值ε＝0.001，迭代初始值t＝1，功率分配比例初始值
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所述车联网***中基于SWIPT的物理层安全方法，应用两时隙双向传输策略，能量受限的中继车辆采用结合时间分配及功率分配的SWIPT方式接受并转发信号，可自适应决定时间分配比例及功率分配比例，比单独的功率分割(PS)或时间分割(TS)更具灵活性；通过本发明的算法，可用较低复杂度的最佳值计算并通过较少次的迭代更新得到最佳分配比例；数值结果证明了本发明所提算法的正确性，且仿真结果表明本发明所述方法得到的***安全容量无限接近通过全局搜索得到的最佳值，且复杂度远低于全局搜索算法，另外，本发明算法与现有算法相比，复杂度低、可靠以及低时延的特点，且可在不知道窃听设备信道环境的条件下保证最优***安全容量。
附图说明
图1是本发明的车联网传输***模型图；
图2是本发明流程简图；
图3是本发明算法与全局搜索法得到的分配因子比较图；
图4是本发明与现有方法的安全性能比较图；
图5是本发明算法迭代次数图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明做进一步描述：
车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，包括以下步骤：
S1，信息传输过程分为第一时隙和第二时隙，在第一时隙内，源车辆Si广播要传输信息，中继车辆接收源车辆传输的信息，窃听设备窃听源车辆传输的信息，得到源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中，i＝1,2；第一时隙为αT，α为时间分配比例，T为时间块长度；
S2，中继车辆采用SWIPT将接收到的S1中源车辆传输的信息分为两部分，所述两部分信息分配比例为ρ:1-ρ，其中，ρ部分用于能量收集，1-ρ部分的信息进行放大转发；
S3，在第二时隙，即(1-α)T，中继车辆将S2所述1-ρ部分的信息进行放大传输，源车辆Si接收中继车辆R第二时隙传输的信息；
源车辆Si消除所述信息中自身的发射信息部分，进而得到源车辆Si对应的信噪比γi；
窃听设备E窃听中继车辆第二时隙传输的信息，并根据所述信息，识别两个源车辆Si的信息，同时得到中继车辆R到E得到关于Si的发送信息的信噪比其中i＝1,2；
S4，根据S1中得到的源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比S3中得到的中继车辆R到E关于源车辆Si发送信息的信噪比以及源车辆接收信号的信噪比，进而得到***的安全容量Cs(α,ρ)；
S5，固定功率分配比例得到最大化对应的值即可得到
S6，固定时间分配比例得到最大化对应的值即可得到
S7，计算S5所得和S6所得的差值，若则执行S8，否则令t＝t+1，并执行S5-S7，直到t为最大迭代次数；
S8，确定最优功率分配比例以及最优时间分配比例按照所述分配比例基于SWIPT的物理层安全地进行通信。
S1中，源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中P为源车辆的信号发射功率，gi表示源车辆窃听设备的信道系数，δ2表示平均信道噪声功率，且
S3中，源车辆Si对应的信噪比为
中继车辆R到E关于Si的发送信息的信噪比为
其中，η为能量转换效率，hi表示源车辆到中继车辆的信道系数，gr表示中继车辆到窃听设备的信道系数，E0表示中继车辆接收信号的总能量，即E0＝P(|h1|2+|h2|2)。
S4所得安全容量为：
S5中，最优时间分配比例
其中，其中，i＝1,2，W(·)为朗伯W函数，α0通过在α1与α2间进行二分查找得到，e为自然对数函数的底数；
S6中，
其中，
S3中中继车辆用所有S2中收集来的能量将信息进行放大传输。
S3中，源车辆Si用串行干扰消除技术消除所述信息中自身的发射信息部分。
S7所述最大迭代次数Im＝10，最大误差值ε＝0.001，迭代初始值t＝1，功率分配比例初始值ρ* 1＝0.001。
本发明的效果可通过下面的仿真实例进一步说明。本仿真参数设置如下：P＝30dBm、δ2＝-20dBm、η＝0.5、λ＝1以及λe＝1，其中，λ为指数随机分布参数|hi|2的均值，λe为|ge|2和|gi|2的均值。
如图1所示，两个源车辆(S1，S2)通过中继车辆(R)进行信息交换，且***中存在窃听设备(E)。其中信息传输过程分为两个时隙：第一时隙，两个源车辆广播要传输的信息，中继车辆接收信息，第二时隙，中继车辆用通过SWIPT技术收集到的能量来转发处理过的信息，两个源车辆接收该信息，完成其信息交换，
参照图2，本发明通过车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法得到最优功率分配比例以及最优时间分配来实现安全传输，具体包括以下步骤：
设定迭代初始值t＝1，最大迭代次数Im＝10，功率分配比例初始值最大误差值ε＝0.001；
S1，在第一时隙(αT，α为时间分配比例，T为时间块长度)内，两个源车辆广播传输信息，中继车辆接收所述信息，窃听设备窃听所述信息，得到源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中P为源车辆的信号发射功率，gi表示源车辆窃听设备的信道系数，δ2表示平均信道噪声功率，且
S2，中继车辆采用SWIPT技术将接收到的S1中的信息分为两部分，所述两部分信息分配比例为ρ:1-ρ，其中，ρ部分用于能量收集，1-ρ部分的信息进行放大转发；
S3，在第二时隙，即(1-α)T，中继车辆将S2所述1-ρ部分的信息进行放大传输，源车辆Si接收中继车辆R第二时隙传输的信息；
两个源车辆用串行干扰消除(SIC)技术消除接收信息里自身的发射信息部分，进而分别得到相应的信噪比(SNR)γi(源车辆Si对应的信噪比，其中i＝1,2)；窃听设备根据接收到的信息，识别两个源车辆的信息，同时得到相应信噪比(中继车辆R到E得到关于Si的发送信息的信噪比)；
其中，η为能量转换效率，hi表示源车辆到中继车辆的信道系数，gr表示中继车辆到窃听设备的信道系数，E0表示中继车辆接收信号的总能量，即E0＝P(|h1|2+|h2|2)；
S4，根据S1中得到的源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比S3中得到的中继车辆R到E关于源车辆Si发送信息的信噪比以及源车辆处的接收信噪比，得到该***的安全容量Cs(α,ρ)；
S5，固定得到最大化对应的值及相应的
其中，其中，i＝1,2，W(·)为朗伯W函数，α0通过在α1与α2间进行二分查找得到e为自然对数函数的底数；
S6，固定得到最大化对应的值及相应的
其中，
S7，计算S5所得和S6所得的差值，若则执行S8，否则令t＝t+1，并执行S5-S7，直到t为最大迭代次数；
S8，确定最优功率分配比例以及最优时间分配比例按照所述分配比例基于SWIPT的物理层安全地进行通信。
图3给出了本发明中时间分配因子与功率分配因子对安全性能的影响，曲线表示用全局搜索法时不同分配因子对应的***安全性能，星号代表通过全局搜索法得到的最佳分配因子，可以看出本发明所提出的最优分配因子与通过全局搜索得到的最佳值一致，从而证明了本发明推导的正确性及最优性；图4为本发明所提算法在不同发射功率下与通过全局搜索得到的最佳算法以及现有的功率分配算法的安全容量比较图，由图可以看出***安全容量随着发射功率增加而增大，这是因为发射功率增加，接收信噪比会增大，从而扩大***安全容量。其次，仿真图表明本发明所提算法的安全容量性能明显优于现有的功率分配算法，且无限接近通过全局搜索得到的最佳安全容量，而本发明的算法复杂度大大低于全局搜索法的复杂度；图5为本发明所提算法在不同信道条件下的迭代次数对应的***安全容量图，由图可看出在不同的窃听设备信道环境下，本发明算法得到的***最佳安全容量基本一致，因而本发明算法在不知道窃听设备信道质量的情况下仍可得到最佳安全容量。另一方面，在不同源车辆信道及窃听设备信道条件下，本算法仅需二次迭代便可得到最优分配因子，因此，本发明算法可快速得到最佳分配因子，从而降低***时延。综上所述，本发明算法与现有算法相比，具有低复杂度、高可靠、低时延等特点，且可在不知道窃听设备信道环境的条件下保证最优***安全容量。

Claims (8)

1.车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，信息传输过程分为第一时隙和第二时隙，在第一时隙内，源车辆Si广播要传输信息，中继车辆R接收源车辆传输的信息，窃听设备窃听源车辆传输的信息，得到源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中，i＝1,2；第一时隙为αT，α为时间分配比例，T为时间块长度；
S2，中继车辆采用SWIPT将接收到的S1中源车辆传输的信息分为两部分，所述两部分信息分配比例为ρ:1-ρ，其中，ρ部分用于能量收集，1-ρ部分的信息进行放大转发；
S3，在第二时隙，即(1-α)T，中继车辆将S2所述1-ρ部分的信息进行放大传输，源车辆Si接收中继车辆R第二时隙传输的信息；
源车辆Si消除所述信息中自身的发射信息部分，进而得到源车辆Si对应的信噪比γi；
窃听设备E窃听中继车辆第二时隙传输的信息，并根据所述信息，识别两个源车辆Si的信息，同时得到中继车辆R到E得到关于Si的发送信息的信噪比其中i＝1,2；
S4，根据S1中得到的源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比S3中得到的中继车辆R到E关于源车辆Si发送信息的信噪比以及源车辆接收信号的信噪比，进而得到***的安全容量Cs(α,ρ)；
S5，固定功率分配比例得到最大化对应的值即可得到
S6，固定时间分配比例得到最大化对应的值即可得到
S7，计算S5所得和S6所得的差值，若则执行S8，否则令t＝t+1，并执行S5-S7，直到t为最大迭代次数；
S8，确定最优功率分配比例以及最优时间分配比例按照所述分配比例基于SWIPT的物理层安全地进行通信。
2.根据权利要求1所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S1中，源车辆Si到窃听设备E对应的信噪比其中P为源车辆的信号发射功率，gi表示源车辆窃听设备的信道系数，δ2表示平均信道噪声功率，i,且
3.根据权利要求2所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S3中，源车辆Si对应的信噪比为
中继车辆R到E关于Si的发送信息的信噪比为
其中，η为能量转换效率，hi表示源车辆到中继车辆的信道系数，gr表示中继车辆到窃听设备的信道系数，E0表示中继车辆接收信号的总能量，即E0＝P(|h1|2+|h2|2)。
4.根据权利要求3所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S4所得安全容量为：
5.根据权利要求4所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，
S5中，最优时间分配比例
其中，其中，i＝1,2，W(·)为朗伯W函数，α0通过在α1与α2间进行二分查找得到，e为自然对数函数的底数；
S6中，
其中，
6.根据权利要求1所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S3中中继车辆用所有S2中收集来的能量将信息进行放大传输。
7.根据权利要求1所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S3中，源车辆Si用串行干扰消除技术消除所述信息中自身的发射信息部分。
8.根据权利要求1所述的车联网中基于SWIPT的物理层安全通信方法，其特征在于，S7所述最大迭代次数Im＝10，最大误差值ε＝0.001，迭代初始值t＝1，功率分配比例初始值
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