一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法，协作干扰节点利用期望收集功率发送干扰信号，研究了五种情形下系统的安全传输性能；从已知的信道CSI出发，分别研究了所有信道CSI已知的理想情形、窃听者CSI未知情形、协作信道增益排序已知和有限反馈速率信道CSI情形下的不同干扰协作方案的保密性能，推导了各种情形下的连接中断概率和保密中断概率的闭式解，并给出了高SNR近似下的表达式；可以得出系统的连接中断概率和保密中断概率存在一定的折中关系，可以根据不同的系统需求选择和设计系统参数达到安全性‑保密性的折中。

A Collaborative Interference Physical Layer Secure Transmission Method Based on Wireless Energy Supply

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法
本专利技术涉及网络安全传输
，尤其涉及一基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法种。
技术介绍
干扰信号的发送需要消耗能量，虽然友好协作干扰节点(FriendlyJammer，FJ)可以协助合法用户信息的安全传输，但与此同时消耗了自身的能量。由于节点的自私性和独立性，干扰节点在帮助合法传输的同时，至少应该不损害自身的效益甚至可以得到额外的补偿和奖励。因此，合法用户的发射机需要提供FJ节点发送干扰所需的额外能量，通过无线供能的方式来补偿协作节点所需的能量，可以激励协作节点参与协作安全传输，这更符合实际协作节点参与协作的情况。文献Jiang和Chen研究了功率站通过无线供能激活合法用户传输信息，PB(PowerBeacon)充当了发射机的功率源。Jiang还研究了存在单天线和多天线窃听者Eve时，单天线PB通过无线功能的方式供给多天线发射机能量的系统的物理层安全性能，值得注意的是该方案是通过发射机发送AN来挺高系统的安全性。Huang采用类似于文献的模型，不同之处在于考虑了多个窃听者合谋和非合谋两种不同情形，假设已知过期信道CSI(OutdatedCSI,OCSI)，研究了发送机采用最大比传输(MRT)和发送天线选择(TAS)两种方法的安全中断概率(SOP)和平均保密速率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法，协作干扰节点利用期望收集功率发送干扰信号，在不耗费自身能量的前提下增强了系统的安全性。本专利技术采用的技术方案为：一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法，包括以下步骤：A：建立考虑MISO的有限速率反馈协作干扰窃听传输模型，包括多天线信源节点S，单天线合法用户D，无线供能的协作干扰节点J和单天线窃听节点E；协作节点可以是多个或者多天线，这里为了计算和分析方便，单天线的协作节点可以看作是从多个协作节点中选择一个最优的协作节点的特殊情况；假设S具有天线数NS，J配置的天线数目为NJ，其余节点都采用单天线；假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块内信道CSI不变，不同传输块间信道CSI是独立变化的；B：由于协作干扰节点是自私且能量受限的节点，发送干扰信号的能量来自于对源节点发送功率的能量收集，采用收集能量的期望值代替实时值；采用时分传输协议，整个传输过程分为两阶段；B1：第一阶段，源节点S作为能量源无线供能给协作干扰节点J；定义α为时间分割比，假设一个时隙的长度为T，其中刚开始的αT,0＜α＜1用于第一阶段的无线供能，剩余的时隙(1-α)T用于信息传输；第一阶段，协作干扰节点J接收到的来自源节点S的能量信号可表示为其中PS是源节点的发送功率，HSJ表示无线供能信道，是一个NJ×NS的矩阵且每个元素都是服从独立同分布的零均值方差为λ1的复高斯随机变量，xS表示NS×1的能量信号向量且满足总功率限制条件nS表示NS×1的高斯加性白噪声向量且因此，在第一阶段结束时，协作干扰节点J获得的总能量为其中η(0＜η＜1)表示能量转化效率；由于协作干扰节点J的自私性和友好性，即以收集能量的期望发送干扰信号，从而节点J的发送功率可以写为B2：第二阶段，源节点S传输信息给目的节点D，与此同时协作干扰节点发送干扰信号，窃听节点窃听有用信息；根据协作节点所已知的信道CSI，采用以下两种协作干扰方案：线性波束赋形BF方法和天线选择AS方法；B2-1：线性波束赋形BF方法由于协作节点处配置多天线，可利用多天线形成波束赋形传输信号以增强目的节点接收的可靠性和安全性；因此，合法用户的接收信号可表示为其中hsd是NS×1的向量，表示合法信道系数；hjd是NJ×1的向量，表示协作节点J到窃听节点E的干扰信道；hsd和hjd中的各元素分别是服从零均值方差为λ2和λ4的独立同分布复高斯随机变量；源节点的波束赋形采用最大比传输，即w1＝h'sd/||hsd||是NS×1的波束赋形向量，x是单位功率的源信号，w2是干扰信号的NJ×1的波束赋形向量且||w2||2＝1，z是单位功率的干扰信号，nd是合法用户接收机均值为0方差为N0的AWGN信号；类似地，窃听者E处的接收信号可以表示为其中hse是NS×1的向量，表示窃听信道系数；hje是NJ×1的向量，表示协作节点J到窃听节点E的干扰信道；hsd和hjd中的各元素分别是服从零均值方差为λ3和λ5的独立同分布复高斯随机变量，ne是窃听者接收机的均值为0方差为N0AWGN信号；因此，结合公式(3)，合法用户D的端到端信干噪比SINR可以表示为令则上式可以简写为这里假设窃听者处的噪声可以忽略，这是因为在窃听用户处，干扰信号占主导作用，并且这也是文献中常用的假设，可以看作是一种最差的情形；因此，结合公式(3)，窃听者E的端到端信干比SIR可表示为由式(7)和(8)可以看出波束赋形向量w2与信道hjd和hje有关，可以根据已知的信道CSI信息设计不同波束赋形向量w2，用以增强系统的传输和安全性能。B2-2：天线选择方法；根据AS的原理，协作节点以设定的标准为依据，从多个天线中选择一个最优的天线来传输干扰信号，达到增强系统安全性的目的；假定k是所选天线的索引，根据式(7)和(8)，合法用户D处的SINR和窃听者E处的SIR可以分别表示为其中表示协作节点J的第k根天线与合法用户D之间的信道系数，表示协作节点J的第k根天线与窃听者E之间的信道系数。本专利技术采用协作干扰节点利用期望收集功率发送干扰信号，研究了五种情形下系统的安全传输性能。从已知的信道CSI出发，分别研究了所有信道CSI已知的理想情形、窃听者CSI未知情形、协作信道增益排序已知和有限反馈速率信道CSI情形下的不同干扰协作方案的保密性能，推导了各种情形下的连接中断概率和保密中断概率的闭式解，并给出了高SNR近似下的表达式；可以得出系统的连接中断概率和保密中断概率存在一定的折中关系，可以根据不同的系统需求选择和设计系统参数达到安全性-保密性的折中。进一步，对几种方案进行了仿真和比较分析，分析和研究了高SNR下相对于不反馈时所能获得的遍历可达保密速率增益；证明了系统的关键参数在安全性能上的重要作用以及有限速率反馈方法在实际尝尽中的优势。附图说明图1为本专利技术的有限速率反馈协作干扰窃听传输模型；图2为本专利技术的连接中断概率随着SNR变化的曲线；图3为本专利技术的连接中断概率随着SNR变化的曲线；图4为本专利技术的保密中断概率随着SNR变化的曲线；图5为本专利技术的连接中断概率随着反馈比特数B变化的曲线；图6为本专利技术的连接中断概率和保密中断概率随时隙分割因子α变化的曲线；图7为本专利技术的所需最小反馈比特数B随保密中断概率限制变化曲线。具体实施方式如图1所示，本专利技术包括以下步骤：A：建立考虑MISO的有限速率反馈协作干扰窃听传输模型，包括多天线信源节点S，单天线合法用户D，无线供能的协作干扰节点J和单天线窃听节点E；协作节点可以是多个或者多天线，这里为了计算和分析方便，单天线的协作节点可以看作是从多个协作节点中选择一个最优的协作节点的特殊情况；假设S具有天线数NS，J配置的天线数目为NJ，其余节点都采用单天线；假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：A：建立考虑MISO的有限速率反馈协作干扰窃听传输模型，包括多天线信源节点S，单天线合法用户D，无线供能的协作干扰节点J和单天线窃听节点E；协作节点可以是多个或者多天线，这里为了计算和分析方便，单天线的协作节点可以看作是从多个协作节点中选择一个最优的协作节点的特殊情况；假设S具有天线数NS，J配置的天线数目为NJ，其余节点都采用单天线；假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块内信道CSI不变，不同传输块间信道CSI是独立变化的；B：由于协作干扰节点是自私且能量受限的节点，发送干扰信号的能量来自于对源节点发送功率的能量收集，采用收集能量的期望值代替实时值；采用时分传输协议，整个传输过程分为两阶段；B1：第一阶段，源节点S作为能量源无线供能给协作干扰节点J；定义α为时间分割比，假设一个时隙的长度为T，其中刚开始的αT,0＜α＜1用于第一阶段的无线供能，剩余的时隙(1‑α)T用于信息传输；第一阶段，协作干扰节点J接收到的来自源节点S的能量信号可表示为

【技术特征摘要】
1.一种基于无线供能的协作干扰物理层安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：A：建立考虑MISO的有限速率反馈协作干扰窃听传输模型，包括多天线信源节点S，单天线合法用户D，无线供能的协作干扰节点J和单天线窃听节点E；协作节点可以是多个或者多天线，这里为了计算和分析方便，单天线的协作节点可以看作是从多个协作节点中选择一个最优的协作节点的特殊情况；假设S具有天线数NS，J配置的天线数目为NJ，其余节点都采用单天线；假设信道都是准静态的Rayleigh信道，即在每一个传输块内信道CSI不变，不同传输块间信道CSI是独立变化的；B：由于协作干扰节点是自私且能量受限的节点，发送干扰信号的能量来自于对源节点发送功率的能量收集，采用收集能量的期望值代替实时值；采用时分传输协议，整个传输过程分为两阶段；B1：第一阶段，源节点S作为能量源无线供能给协作干扰节点J；定义α为时间分割比，假设一个时隙的长度为T，其中刚开始的αT,0＜α＜1用于第一阶段的无线供能，剩余的时隙(1-α)T用于信息传输；第一阶段，协作干扰节点J接收到的来自源节点S的能量信号可表示为其中PS是源节点的发送功率，HSJ表示无线供能信道，是一个NJ×NS的矩阵且每个元素都是服从独立同分布的零均值方差为λ1的复高斯随机变量，xS表示NS×1的能量信号向量且满足总功率限制条件nS表示NS×1的高斯加性白噪声向量且因此，在第一阶段结束时，协作干扰节点J获得的总能量为其中η(0＜η＜1)表示能量转化效率；由于协作干扰节点J的自私性和友好性，即以收集能量的期望发送干扰信号，从而节点J的发送功率可以写为B2：第二阶段，源节点S传输信息给目的节点D，与此同时协作干扰节点发送干扰信号，窃听节点窃听有用信息；根据协作节点所已知的信道CSI，采用以下两种协作干扰方案：线性波束赋形BF方法和天线选择AS方法；B2-1：线性波束赋形BF方法由于协作节点处配...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明，丁威，刘宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61