一种鲁棒无线携能中继协作安全通信方法技术

本发明专利技术公开了一种鲁棒无线携能中继协作安全通信方法，包括构建无线携能中继协作的无线传感器网络系统模型，引入由合法接收端的信道容量减去最强窃听者的信道容量得到系统保密速率，对求解过程转化为最大化最坏情况下的保密速率问题，通过迭代优化算法对上述问题进行高效求解，获得矢量和中继功率分配因子。本发明专利技术将问题建模为一个最大最小问题，通过引入松弛变量，将问题转换为上下两层问题，针对上层问题的分式二次规划形式，通过变换将其转换为标准凸问题；并设计了一种迭代算法同时求解两个问题以获得中继处最优的波束形成矢量。然后使用一维搜索获得中继最优功率分配因子。本发明专利技术能显著提高中继无法获取窃听者完美信道状态信息时的保密速率。状态信息时的保密速率。

【技术实现步骤摘要】
一种鲁棒无线携能中继协作安全通信方法
[0001]本专利技术涉及无线传感器网络通信
，尤其涉及一种鲁棒无线携能中继协作安全通信方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的进步，无线传感器网络(WSN)技术得到充分发展，大量无线传感器投入使用，由于无线传感器尺寸限制，往往只能配备单天线，无法利用多入多出(MIMO)技术中的波束赋性(Beamforming)获取空间增益以得到更好的传输性能。然而物联网中往往存大量节点，利用这些节点，通过中继协作技术可以为上述问题提供一个可行的解决办法，即利用物联网中存在的其他节点充当中继，进行协作信息传输从而获得良好的空间分集增益。但是，协作传输需要消耗传感器节点的能量，由于无线传感器往往分布广泛，无法为其配备线缆持续供电，使得传感器的工作寿命极度依赖于电池寿命。利用协作传输将会大大降低网络寿命难以实现。为了解决上述难题，使用射频(RF)技术进行能量收集成为一种新思路。该方法使用射频能量收集技术，对接收到的信号同时收集能量和信息，延长设备寿命的同时提供有效信息传输。
[0003]但是，由于无线信道的广播特性和无线网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种鲁棒无线携能中继协作安全通信方法，其特征在于包括：包括以下步骤：步骤1：构建无线携能中继协作的无线传感器网络系统模型，其包含1个发射端s，1个合法接收端d，N个使用放大
‑
转发技术的无线携能中继节点r，K个期望得到中继转发信息的窃听者e，上述设备均分别配备单个天线；在此网络中单次信息传输周期内分为两个阶段，源传输阶段、中继协作传输阶段；设为发射端s到N个中继r的信道系数矢量，[]
H
代表矢量的共轭转置，C
N
×1代表N
×
1维复数集合，为N个中继r到合法接收端d的信道系数矢量，为N个中继r到第k个窃听者e,k的存在信道扰动的信道系数矢量，是第N个中继到第k个窃听者e,k的估计信道系数，是满足的信道扰动，其中表示矢量的二范数的平方，δ≥0是信道扰动上界；步骤2：发射端发送的信号经过N个无线携能中继协作转发至合法接收端d和窃听者e，具体表述为：在源传输阶段，发射端发送机密信号x，确定第i个中继的接收信号在中继协作传输阶段，每个中继将收集到的信号分为两部分，一部分用来采集能量，另一部分用来收集信息，其中α
i
是能量分配因子；确定中继放大转发信息所需的能量E
F
，电路消耗能量E
CIR
，中继收集到的能量E
H
；确定每个中继发射功率、中继采集到的能量和电路消耗能量满足能量约束，合法接收端d接收到的信号的信噪比SINR
d
，合法接收端d的信道容量r
d
；窃听者e接收到的信号的信噪比SINR
e
，窃听者e的信道容量r
e
；步骤3：由合法接收端d的信道容量r
d
减去最强窃听者e,k的信道容量r
e,k
得到系统保密速率r
S
，对求解过程转化为最大化最坏情况下的保密速率问题P1，使系统具有良好的鲁棒性；步骤4：基于步骤3中所述的最大化最坏情况下的保密速率问题P1，根据一个交替迭代算法通过分别优化上层问题和下层问题联合求解，得到最坏情况最好的波束形成矢量w
*
和保密速率r
*
；步骤5：通过步骤4迭代算法求解后，在功率分配因子α可行区间α∈(0,1]内通过一维搜索算法，有效求解最优能量分配因子α
*
。2.根据权利要求1所述的鲁棒无线携能中继协作安全通信方法，其特征在于：所述的步骤3中，对求解过程转化为最大化最坏情况下的保密速率问题P1，具体为：以最大化最坏情况下保密速率为优化目标，约束每个中继发射功率不得高于中继收集到的能量约束窃听者的信道误差于一个椭圆球内，得到一个非凸的最大最小问题，即最大化最坏情况下保密速率的问题P1；然后，固定能量分配因子α，引入中间变量τ将上述问题P1变换为一个上层问题P2和一个下层问题P3；其中下层问题P3是一个分式二次规划问题，通过SDR、S
‑
procedure和Charnes
‑
Cooper变换将其转化为可高效求解的凸优化问题，上层问题P2在下
层问题P3求解后，通过bisection算法高效求解。3.根据权利要求1所述的鲁棒无线携能中继协作安全通信方法，其特征在于：所述的步骤2中的第i个中继接收到的信息为：其中，n
sr
是中继接收到的噪声信号；第i个中继采集到的能量为：其中η，0＜η＜1为能量采集效率，P
s
为发射端发射信号功率，为中继接收到的噪声功率；表示复数的模的平方；每个中继转发信号所需要的能量为：其中trace()表示内部元素的迹，w∈C
N
×1为中继波束形成矢量，E
i
＝diag(e
i
)∈C
N
×
N
，e
i
∈C
N
×1为第i个元素为1，其他元素为0的列矢量；由于中继处能量受限，中继输出放大信号能量必须小于中继收集到的能量，即满足以下约束：E
F
+E
CIR
≤E
H
；其中E
CIR
为放大电路消耗能量；合法接收端d接收到信号的信噪比为：合法接收端d的信道容量定义为：其中P
s
表示发射端s发射功率，h
sr
∈C
N
×1为源s到中继r的信道矢量，h
rd
∈C
N
×1表示中继r到合法接收端d的信道矢量，为放大电路产生的噪声功率，为合法接收端d接收噪声的功率，D
βα
＝diag(α1β1,...,α
N
β
N
)∈C
N
×
N
，D
β
＝diag(β1,...,β
N

【专利技术属性】
技术研发人员：金勇，郭睿杰，白可，李军伟，胡振涛，周林，魏倩，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：