本發(fā)明提供一種遠距離物理層安全能量采集方法，屬于無線通信技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

隨著對信息處理和傳輸速率的要求日益嚴格，對于能量有限的無線通信設備需要更多的能量才能進行正常的數(shù)據(jù)接收。為了解決日益嚴峻的能量中斷問題，無線能量采集技術(shù)被應用到通信過程中。在無線傳能通信中，終端設備可以從周圍基站的射頻信號中獲得能量，進而對自身進行充電和存儲，因此終端設備的壽命得到延長。

傳統(tǒng)保密技術(shù)主要從應用層計算機網(wǎng)絡協(xié)議和數(shù)據(jù)加密著手，但由于密鑰的管理和分發(fā)相當復雜，實現(xiàn)比較困難。如今無線通信的物理層安全作為一種新的保密方法越發(fā)引起研究人員的重視和關(guān)注。由于無線傳輸媒質(zhì)的開放性，任何非法用戶都可能竊聽到發(fā)射機與合法用戶之間的信息，進而擾亂合法用戶的正常通信。在無線傳能通信系統(tǒng)中，能量接收機作為一種潛在的非法用戶同樣可能竊聽信息信號。

為了防止信息信號被竊聽，人們提出了很多種物理層安全通信模型和方法。針對遠距離傳輸通信，通常采用一個或多個中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸。在無線傳能通信系統(tǒng)中，研究人員分析了能量接收機竊聽信息信號時的安全容量，并且提出了多種物理層安全的無線信息和能量同時傳輸方案。在實際場景中，基站與中繼節(jié)點之間往往距離很近，多個中繼與基站可以被認為位于同一個簇中，多個中繼之間可以通過合作加強信息可靠傳輸?shù)男阅堋Ｈ欢?，多個非法用戶也可以通過群體共謀來竊聽合法用戶的信息，這給信息安全傳輸帶來了極大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的遠距離物理層安全能量采集系統(tǒng)未考慮在多中繼合作和多個非法用戶群體共謀的場景下的安全通信，本發(fā)明提供一種遠距離物理層安全能量采集方法。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

本發(fā)明一種遠距離物理層安全能量采集方法所依托的遠距離物理層安全能量采集系統(tǒng)包括單天線基站、單天線合法用戶、單天線中繼節(jié)點和單天線非法用戶；

其中，單天線基站和單天線合法用戶的數(shù)量為1個；單天線中繼節(jié)點的數(shù)量為大于等于2個；單天線非法用戶的數(shù)量為大于等于2個；多個單天線中繼節(jié)點和單天線基站距離較近，形成一個簇；

其中，單天線基站簡稱基站；單天線合法用戶，簡稱合法用戶；單天線中繼節(jié)點，簡稱中繼節(jié)點；單天線非法用戶，簡稱非法用戶；

其中，多個單天線中繼節(jié)點通過合作，相當于一個多天線中繼節(jié)點；

單天線非法用戶和單天線合法用戶距離單天線基站較遠，通常假設單天線基站與單天線合法用戶以及單天線非法用戶之間沒有直接通信鏈路；本發(fā)明所述方法所依托的系統(tǒng)采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)策略工作；具體包含第一階段策略和第二階段策略兩部分。

一種遠距離物理層安全能量采集方法的第一階段策略，包含如下步驟：

步驟一、單天線基站發(fā)送信號給同一個簇中的單天線中繼節(jié)點；

系統(tǒng)中有1個基站，多個中繼節(jié)點分別表示為R₁,R₂,…,R_K，1個合法用戶，多個非法用戶分別表示為E₁,E₂,…,E_M形成一個集合進行合謀；

基站向在同一個簇中的中繼節(jié)點發(fā)送信號x_s，發(fā)射信號x_s滿足E(|x_s|²)＝P，其中P為基站發(fā)送信號功率；

步驟二、單天線中繼節(jié)點接收信號并對信息進行解碼；

中繼節(jié)點R_k(1≤k≤K)接收到的信號為y_R,k＝x_sh_k+n_R,k，其中h_k為單天線基站與中繼節(jié)點R_k之間的信道系數(shù)，n_R,k為均值為零、方差為的加性高斯白噪聲，k的取值范圍為1到K；

因為單天線基站和中繼節(jié)點之間的距離并不遠，中繼節(jié)點可以正確地解碼接收到的信號，而且基站可以用一個很小的功率廣播信號，這樣分布在遠處的合法用戶和非法用戶不會收到信號；

至此，經(jīng)步驟一及步驟二，完成了一種遠距離物理層安全能量采集方法的第一階段策略；

在一種遠距離物理層安全能量采集方法的第二階段策略包含如下步驟:

步驟三、單天線中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)解碼出的信號；

多個單天線中繼節(jié)點進行合作，等效于一個多天線中繼，此中繼稱為等效中繼節(jié)點；等效中繼節(jié)點將接收到的源信號x_s進行轉(zhuǎn)發(fā)，則發(fā)送的信號可以表示為：

其中，

步驟四、合法用戶接收信號，非法用戶竊聽信號；

合法用戶和第k個非法用戶接收到的信號分別表示為y_D和如下公式(2)和(3)所示：

其中，為中繼節(jié)點與合法用戶間的信道參數(shù)，為中繼節(jié)點與第k個非法用戶之間的信道參數(shù)，和的上標H均代表共軛轉(zhuǎn)置操作；n_D和分別為零均值、方差為和的加性高斯白噪聲；

步驟五、合法用戶處理接收到的信號，獲取能量和信息；

合法用戶將接收的信號一部分用于能量獲取和一部分用于信息解碼，因此用于能量獲取和信息解碼的信號分別為y_EH和y_ID，分別用公式(4)和(5)表示：

其中，0＜ρ＜1代表相關(guān)的功率分離比，n_p為均值為零、方差為的加性高斯白噪聲；

根據(jù)公式(4)，合法用戶采集到的能量為：

其中,0＜η≤1代表能量轉(zhuǎn)換效率；

至此，從步驟一到步驟五，完成了一種遠距離物理層安全能量采集方法。

有益效果

本發(fā)明一種遠距離物理層安全能量采集方法，與現(xiàn)有物理層安全能量采集方法相比，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明所述方法將物理層安全與無線傳能通信相結(jié)合，通過多個中繼節(jié)點合作加強信息可靠傳輸，在多個非法用戶共謀的通信場景中，合法用戶從接收信號中同時獲得信息和能量，更加適用于實際通信場景；

2.本發(fā)明所述方法能夠在遠距離通信過程中保障能量受限的合法用戶獲得更多的能量，從而保證正常通信。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種遠距離物理層安全能量采集方法所依托的系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

實施例1

如圖1所示，在第一階段T₁，本發(fā)明中所述的一種遠距離物理層安全能量采集方法執(zhí)行以下步驟：

步驟1：單天線基站發(fā)送信號給同一個簇中的單天線中繼節(jié)點；

系統(tǒng)中有1個基站，多個中繼節(jié)點分別表示為R₁,R₂,…,R_K，1個合法用戶，多個非法用戶分別表示為E₁,E₂,…,E_M形成一個集合進行合謀。

基站向在同一個簇中的中繼節(jié)點發(fā)送信號x_s，發(fā)射信號x_s滿足E(|x_s|²)＝P，其中P為基站發(fā)送信號功率，

步驟2：單天線中繼節(jié)點接收信號并對信息進行解碼；

中繼節(jié)點R_k(1≤k≤K)接收到的信號為y_R,k＝x_sh_k+n_R,k，其中h_k為基站與中繼節(jié)點R_k之間的信道系數(shù)，n_R,k為均值為零、方差為的加性高斯白噪聲；

至此，經(jīng)步驟1和步驟2，完成了一種遠距離物理層安全能量采集方法的第一階段；

在一種遠距離物理層安全能量采集方法的第二階段T₂包含如下步驟:

步驟3：單天線中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)解碼出的信號；

多個單天線中繼節(jié)點進行合作，等效于一個多天線中繼(簡稱為等效中繼節(jié)點)。等效中繼節(jié)點將接收到的源信號進行轉(zhuǎn)發(fā)，則發(fā)送的信號可以表示為：

其中，

步驟4：合法用戶接收信號，非法用戶竊聽信號；

當?shù)刃е欣^節(jié)點發(fā)送信號時，合法用戶和第k個非法用戶接收到的信號分別為：

其中，為中繼節(jié)點與合法用戶間的信道參數(shù)，為中繼節(jié)點與第k個非法用戶之間的信道參數(shù)；n_D和分別為零均值、方差為和的加性高斯白噪聲；

步驟5：合法用戶處理接收到的信號，獲取能量和信息；

合法用戶將接收的信號一部分用于能量獲取和一部分用于信息解碼，因此用于能量獲取和信息解碼的信號分別為：

其中，0＜ρ＜1代表相關(guān)的功率分離比，n_p為均值為零、方差為的加性高斯白噪聲；則合法用戶的SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio，信號與干擾噪聲的比)為：

在無中繼節(jié)點的無線傳能傳輸系統(tǒng)中，合法用戶的SINR可以表示為：

其中，為無中繼節(jié)點時，基站與合法用戶之間的信道系數(shù)；

根據(jù)公式(10)，在本方案中，合法用戶采集到的能量為：

其中,0＜η≤1代表能量轉(zhuǎn)換效率。在無中繼節(jié)點的無線傳能傳輸系統(tǒng)中，合法用戶采集到的能量為：

從公式(14)和(15)中可以看出E＞E，即本方案中的能量采集方法更有效。

以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。