CN110601789A - 一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，应用于携能通信***，所述***包括一个基站、一个窃听节点以及至少两个用户节点，所述方法包括如下步骤：利用时隙交换协议，第一时隙各用户节点从基站采集能量并加以存储，计算各用户节点存储的能量，以及第二时隙各用户节点用于信息传输的发射功率；基站根据瞬时信道状态信息，进行多用户调度，选择用于信息传输的用户节点和干扰节点；所选用户节点将编码后的信息发送给基站，所选干扰节点发送干扰信号，使通信***主信道容量最大化以及窃听信道容量最小化。本发明通过用户加扰的方式，显著改善供电受限场景下存在窃听节点的多用户无线***的安全容量，保证通信传输可靠性。

Description

一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信的迅速发展以及“绿色通信”理念的提出，能量的有效性引起了学术界和工业界的广泛关注。同步无线信息和功率传输（Simultaneous Wireless Informationand Power Transfer, SWIPT）技术被提议作为一种有效的能量采集（Energy-Harvesting）技术，用来延长无线设备的寿命。该技术允许无线通信设备从周围环境采集能量，尤其是从无线电信号中采集能量。SWIPT有两种协议，分别是时隙交换协议（Time-Switching, TS）和功率分割协议（Power-Splitting, PS），具体而言，时隙交换协议是指将一个时隙分成两部分，一部分时间用来从射频信号中采集能量并存储，剩下的时间用来传输数据信息。而在功率分割协议中，接收到的信号能量被分成两部分，一部分能量存储下来用来发送信息，另一部分能量用来处理信息。
与传统无线通信***相比，无线携能通信***的安全问题更加突出，在无线携能通信***中，能量接收者比信息接收者具有更高的功率灵敏度，发送者发送给信息接收者的保密信息非常容易遭到能量接收者的窃听。因此关于如何提高无线携能通信***的安全保密容量的研究得到工业界与学术界的高度重视。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，应用于携能通信***，所述携能通信***包括一个基站、一个窃听节点以及至少两个用户节点，所述方法包括如下步骤：
利用时隙交换协议，第一时隙各用户节点从基站采集能量并加以存储，每个用户节点配备储能装置，计算各用户节点存储的能量，所采集的能量用于第二时隙的信息传输；
各个用户节点根据采集的能量，计算第二时隙各用户节点用于信息传输的发射功率；
基站根据瞬时信道状态信息，进行多用户调度，选择一个用户节点用于信息传输，另外选择一个用户节点作为干扰节点；
所选用户节点将编码后的信息发送给基站，同时所选干扰节点分别向窃听节点和基站发送干扰信号；
基站和窃听节点分别计算多用户调度与干扰选择后的主信道和窃听信道的信道容量，进一步得出多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量。
进一步地，所述各用户节点从基站采集到的能量为：
其中，E i表示第i个用户采集到的能量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
进一步地，所述各用户节点用于第二时隙信息传输的发射功率为：
其中，P i表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
进一步地，基站根据瞬时信道状态信息，选择一个用户节点用于信息传输，另外选择一个用户节点作为干扰节点：
用户节点：
干扰节点：
其中，ο表示被选取的用户节点；f表示被选取的干扰节点；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数，且i=1，2，…，M，j=1，2，…，M；M为用户节点的个数；U代表第1至M个用户节点组成的用户集；U k 代表被选中的用户节点集。
进一步地，所述多用户调度与干扰选择后的主信道容量和窃听信道容量分别为：
多用户调度与干扰选择后的主信道容量：
多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量：
其中，C ob 表示多用户调度与干扰选择后的主信道容量；表示多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
进一步地，所述多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量为：
其中，；为多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
有益效果：本发明提出了一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，该方法采用时隙交换协议，在多个用户的场景下，通过选取用户节点和干扰节点，使主信道容量最大以及窃听容量最小，得到最大的***安全容量，提高无线携能通信的安全性能，在实际无线通信***中具有较好的应用前景。
本发明通过干扰技术与信道估计技术结合，辅助物理层密钥的生成，干扰信号可以使用伪随机序列，这组伪随机序列对基站来说已知，但对于窃听者来说未知，所以能够起到干扰窃听者但不影响主信道信号传输的作用，从而提高通信***的保密性能。
附图说明
图1为本发明中无线携能通信***的模型示意图；
图2为本发明所述方法的流程示意图；
图3为不同调度方式以及不同用户数量的情况下，信噪比与安全容量的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于多用户调度与干扰的无线携能保密通信方法，应用于携能通信***，所述携能通信***如图1所示，包括一个基站，一个窃听节点，以及至少两个用户节点。所述基站至少配备一根天线，所述窃听节点至少配备一根天线，所述用户节点配备单天线且具有能量采集器和能量存储器。
所述方法包括如下步骤，具体流程如图2所示：
步骤1、根据能量采集时隙交换协议，第一时隙αT内，各用户节点从基站采集到的能量为：
其中，E i表示第i个用户采集到的能量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
步骤2、第二时隙(1-α)T内，获得各用户节点用于信息传输的发射功率为：
其中，P i表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
从多个用户节点中随机选择一个作为干扰节点，干扰节点用于发送干扰的功率为：
其中，P j 表示干扰节点第二时隙用于发射干扰信号的功率；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；P b 为基站的发射功率；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；j=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
基站通过信道估计技术获得所选干扰节点到基站的信道状态信息，干扰节点发送的干扰信号是伪随机序列，这组伪随机序列对基站而言是已知的，故基站可以抵消该干扰；而该组伪随机序列对窃听节点而言是未知的，故而窃听节点受到干扰。
基站接收到的信号为：
其中，y ib 表示基站接收到的信号，P i 表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率，h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数，x i 表示第i个用户节点发射的信号，n b 表示基站处的噪声；
则基站接收到的信噪比为：
其中，γ ib 表示基站接收到的信噪比，P i 表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率，h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数，N 0 为噪声功率。
利用香农容量公式，主信道的容量为：
其中，C ib 表示主信道容量，η为能量转换效率，α为时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，P b 为基站的发射功率，h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数，N 0 为噪声功率。
窃听节点接收到的信号为：
其中，表示窃听节点接收到的信号，P i 表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率，P j 表示干扰节点第二时隙用于发射干扰信号的功率，h ie 表示第i个用户节点到窃听节点的信道衰落系数，x i 表示第i个用户节点发射的信号，g je 表示干扰节点到窃听节点的信道衰落系数，x j 表示干扰节点发射的信号，n e 为窃听节点处的噪声；
则窃听节点接收到的信噪比为：
其中，γ ie 表示窃听节点接收到的信噪比，P i 表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率，P j 表示干扰节点第二时隙用于发射干扰信号的功率，h ie 表示第i个用户节点到窃听节点的信道衰落系数，g je 表示干扰节点到窃听节点的信道衰落系数，N 0 为噪声功率。
窃听信道的信道容量为：
其中，表示窃听信道容量，η为能量转换效率，α为时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，P b 为基站的发射功率，h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，h ie 表示第i个用户节点到窃听节点的信道衰落系数，h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数，g je 表示干扰节点到窃听节点的信道衰落系数，N 0 为噪声功率。
步骤3、基站根据瞬时信道状态信息，选择一个用户节点用于信息传输，另外选择一个用户节点作为干扰节点：
所选用于信息传输使主信道容量最大的用户节点为：
所选使窃听信道容量最小的干扰节点为：
其中，ο表示被选取的用户节点；f表示被选取的干扰节点；C ib 表示主信道容量；表示窃听信道容量；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数，且i=1，2，…，M，j=1，2，…，M；M为用户节点的个数；U代表第1至M个用户节点组成的用户集；U k 代表被选中的用户节点集。
步骤4、分别计算多用户调度与干扰选择后的主信道和窃听信道的信道容量：
多用户调度与干扰选择后的主信道容量：
多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量：
其中，C ob 表示多用户调度与干扰选择后的主信道容量；表示多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
步骤5、进一步得出多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量为：
其中，；为多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
在计算机上利用MATLAB语言对本发明提供的方法进行仿真模拟，如图3所示，在仿真中假定所有无线信道独立分布且是瑞利衰落，，，，，，分别服从均值为，，，，的指数分布，各节点处的噪声都是均值为0，方差为N 0 的平稳高斯白噪声。其中，能量转换效率η取0.6，时间分配因子α取0.4，时间周期T取1。
从图3中可以看出，采用本发明所述方法进行用户调度与干扰选择时，***的安全容量明显高于传统调度的安全容量，且随着用户数量的增加，***的安全容量有所提高。所述传统调度即为不选择用户节点作为干扰节点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，应用于携能通信***，其特征在于：所述携能通信***包括一个基站、一个窃听节点以及至少两个用户节点，所述方法包括如下步骤：
利用时隙交换协议，第一时隙各用户节点从基站采集能量并加以存储，每个用户节点配备储能装置，计算各用户节点存储的能量，所采集的能量用于第二时隙的信息传输；
各个用户节点根据采集的能量，计算第二时隙各用户节点用于信息传输的发射功率；
基站根据瞬时信道状态信息，进行多用户调度，选择一个用户节点用于信息传输，另外选择一个用户节点作为干扰节点；
所选用户节点将编码后的信息发送给基站，同时所选干扰节点分别向窃听节点和基站发送干扰信号；
基站和窃听节点分别计算多用户调度与干扰选择后的主信道和窃听信道的信道容量，进一步得出多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量。
2.根据权利要求1所述的一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，其特征在于：所述各用户节点从基站采集到的能量为：
其中，E i表示第i个用户采集到的能量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，其特征在于：所述各用户节点用于第二时隙信息传输的发射功率为：
其中，P i表示第i个用户第二时隙用于发射信息的功率；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；P b 为基站的发射功率；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数，i=1，2，…，M；M为用户节点的个数。
4.根据权利要求1所述的一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，其特征在于：基站根据瞬时信道状态信息，选择一个用户节点用于信息传输，另外选择一个用户节点作为干扰节点：
用户节点：
干扰节点：
其中，ο表示被选取的用户节点；f表示被选取的干扰节点；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数，且i=1，2，…，M，j=1，2，…，M；M为用户节点的个数；U代表第1至M个用户节点组成的用户集；U k 代表被选中的用户节点集。
5.根据权利要求1所述的一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，其特征在于：所述多用户调度与干扰选择后的主信道容量和窃听信道容量分别为：
多用户调度与干扰选择后的主信道容量：
多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量：
其中，C ob 表示多用户调度与干扰选择后的主信道容量；表示多用户调度与干扰选择后的窃听信道容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
6.根据权利要求1所述的一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法，其特征在于：所述多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量为：
其中，；为多用户调度与干扰选择后的无线信道的安全容量；η为能量转换效率；α为时隙交换协议的时间分配因子；T为时隙交换协议的一个时间周期；P b 为基站的发射功率；h bo 表示基站到所选用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h oe 表示所选用户节点到窃听之间的瞬时信道衰落系数；h bi 表示基站到第i个用户节点之间的瞬时信道衰落系数；h ib 表示第i个用户节点到基站的信道衰落系数；h bj 表示基站到干扰节点的信道衰落系数；g je 表示干扰节点到窃听的信道衰落系数；N 0为噪声功率。
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Legal Events

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Application publication date: 20191220

Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS NANTONG INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980011448

Denomination of invention: A wireless energy carrying secure communication method based on multi-user scheduling and interference selection

Granted publication date: 20200320

License type: Common License

Record date: 20211027