一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法技术

本发明专利技术涉及一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法，属于物联网领域领域。该方法包括以下步骤：S1：建立多用户认知反向散射通信系统传输模型；S2：考虑认知用户的服务质量、反射系数、能量收集、传输时间、干扰功率等约束条件，构建认知反向散射通信系统吞吐量最大化资源调度问题；S3：考虑频谱感知误差和有界信道不确定性，建立多变量耦合的非线性鲁棒资源调度模型；S4：利用最坏准则、连续凸近似和交替优化方法将原问题转换为确定性凸优化问题，并利用凸优化工具求解，得到发射功率、传输时间、反射系数的调度方法。本发明专利技术能有效提升无源物联网系统的传输安全性与鲁棒性，实用性价值高。实用性价值高。实用性价值高。

【技术实现步骤摘要】
一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法


[0001]本专利技术属属于物联网领域，涉及一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法。

技术介绍

[0002]为了解决低功耗物联网电池容量受限与网络运行寿命低的问题，出现了反向散射通信，但是，随着物联网节点数量的增加，反向散射通信网络存在频谱短缺的问题。针对该问题，将认知无线电引入到反向散射通信技术中，形成一种新型的认知反向散射通信模式。认知反向散射通信具有频谱效率提升与能耗降低双重优势。认知反向散射通信系统由主系统和次系统组成，次系统共享主用户频谱资源，有效提升通信系统的频谱效率。在保证主用户通信质量的前提下，次系统利用主系统的射频信号来进行无线供能，并在射频源信号上调制自己的信号，以此来实现低功耗反射通信。
[0003]虽然，很多现有方法对认知反向散射通信进行了研究，但集中在完美频谱感知、完美信道状态信息、无信息泄露等理想假设下完成的，忽略了频谱误检概率、信道不确定性、用户窃听等实际因素的不良影响。同时，假设所有节点或收发机都工作在稳定的理想工作状态(即，完美硬件条件)也是不切实际的。但在实际反向散射通信系统中，设备制造商使用低成本的硬件组间来降低部署成本可能会导致系统遭受严重的硬件损伤。这些硬件损伤可能会导致系统性能进一步下降，因此，为方便实际工程应用，亟需一种能都提高认知反向散射通信系统的鲁棒性的方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法，解决现有方法对认知反向散射通信研究时，集中在完美频谱感知、完美信道状态信息、无信息泄露等理想假设下完成的，而忽略了频谱误检概率、信道不确定性、用户窃听的实际因素不良影响以及假设所有节点或收发机都工作在稳定的理想工作状态，从而不方便实际工程的应用的问题。本专利技术通过利用最坏准则、连续凸近似和交替优化的方法将系统性能优化问题转换为确定性凸优化问题，得到发射功率、传输时间、反射系数的调度方法，有效提升无源物联网系统的传输安全性与鲁棒性，从而方便实际工程应用。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1：建立多用户认知反向散射通信系统传输模型；
[0008]S2：考虑认知用户的服务质量、反射系数、能量收集、传输时间和干扰功率的约束条件，构建认知反向散射通信系统的吞吐量最大化资源调度问题；
[0009]S3：考虑频谱感知误差和有界信道不确定性，将S2中的吞吐量最大化资源调度问题转换为多变量耦合的非线性鲁棒资源分配问题；
[0010]S4：利用最坏准则、连续凸近似和交替优化方法将S3中的非线性鲁棒资源分配问题转换为确定性凸优化问题，并利用凸优化工具求解，得到发射功率、传输时间和反射系数的调度方法。
[0011]进一步，所述S1中，多用户认知反向散射通信系统包括：主基站、主接收机、认知反向散射用户、信息接收机和窃听者；
[0012]所述主机站传输送信号给所述认知反向散射用户、所述窃听者和所述主接收机，所述认知反向散射用户传送信号给所述窃听者和所述主接收机；
[0013]所述认知反向散射用户依次设有频谱感知模块、射频能量收集模块、反向散射电路和主动传输电路；
[0014]所述认知反向散射用户在传输时间内采用时分多址进行数据传输，整个传输时间帧T包括反射传输阶段T
B
和主动传输阶段T
A
；
[0015]在反射传输阶段内，主接收机在授权频谱上传输数据；
[0016]在主动传输阶段内，主接收机停止在授权频谱上传输；
[0017]所述认知反向散射用户使用所述频谱感知模块接入主用户频谱资源，和分别为第k个认知反向散射用户进行反向散射和主动传输的时间，满足和
[0018]K表示认知反向散射用户数量。
[0019]进一步，所述S1中，通过考虑认知反向散射用户和认知信息接收机收到残余硬件损伤会扭曲期望的接收信号，建立的信号传输模型具体包括：将第k个认知反向散射用户发射信号表示为：
[0020][0021]其中，x
P
表示主基站的发射信号，c
k
为第k个认知反向散射用户的信号，满足E[|c
k
|2]＝1{，β
k
为第k个认知反向散射用户的反射系数，f
k
表示主基站到第k个认知反向散射用户的信道增益，为硬件损伤引起的失真噪声，且表示第k个认知反向散射用户处的硬件损伤电平参数；
[0022]在内，当第k个认知反向散射用户进行反向散射时，认知信息接收机和窃听者分别收到的信号为：
[0023][0024][0025]其中，f
P
和f
E
分别表示主基站到认知信息接收机和窃听者的信道增益，h
k
和g
k
分别表示第k个认知反向散射用户到认知信息接收机和窃听者的信道增益，n
B,R
为硬件损伤引起的失真噪声，且CN()表示复高斯分布，P0表示主基站的总发射功率，κ
R
表示认知信息接收机处的硬件损伤电平参数，n
U
和n
E
表示认知信息接收机和窃听者处的高斯白噪声，满足和表示用户处噪声的方差，
表示窃听者处噪声的方差；
[0026]在内，第k个认知反向散射用户和窃听者的吞吐量分别为：
[0027][0028][0029]其中，其中，和分别表示在反射传输阶段第k个认知反向散射用户和窃听者的速率；
[0030]在T
B
内，第k个认知反向散射用户的保密速率为：
[0031][0032]当第k认知反向散射用户在内进行反向散射时，其余认知反向散射用户进行能量收集，硬件损伤失真噪声和高斯白噪声引入的能量均远小于有用信息部分引入的能量收集，忽略硬件损伤和噪声引入的能量收集，则第k个认知向散射用户收集到的总能量为：
[0033][0034]其中，η表示能量收集系数在内，认知反向散射用户采用频谱感知检测到主接收机未使用授权频谱，则认知反向散射用户使用在反射传输阶段收集到的能量，通过时分多址方式主动向认知信息接收机传输数据，认知反向散射用户进行主动传输时，认知信息接收机和窃听者收的信号为：
[0035][0036][0037]其中，p
k
为第k个认知反向散射用户主动传输阶段的发射功率；和n
A,R
分别为第k个认知反向散射用户和认知信息接收机处的硬件损伤，满足和则在第k个认知反向散射用户和窃听者的吞吐量分别表示为：
[0038][0039][0040]其中，和分别表示在主动传输阶段第k个认知反向散射用户和窃听者的速率，同理，在内，第k个认知反向散射用户满足的保密速率为：
[0041][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：建立多用户认知反向散射通信系统传输模型；S2：考虑认知用户的服务质量、反射系数、能量收集、传输时间和干扰功率的约束条件，构建认知反向散射通信系统的吞吐量最大化资源调度问题；S3：考虑频谱感知误差和有界信道不确定性，将S2中的吞吐量最大化资源调度问题转换为多变量耦合的非线性鲁棒资源分配问题；S4：利用最坏准则、连续凸近似和交替优化方法将S3中的非线性鲁棒资源分配问题转换为确定性凸优化问题，并利用凸优化工具求解，得到发射功率、传输时间和反射系数的调度方法。2.根据权利要求1所述的一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度的方法，其特征在于：所述S1中，多用户认知反向散射通信系统包括：主基站、主接收机、认知反向散射用户、信息接收机和窃听者；所述主机站传输送信号给所述认知反向散射用户、所述窃听者和所述主接收机，所述认知反向散射用户传送信号给所述窃听者和所述主接收机；所述认知反向散射用户依次设有频谱感知模块、射频能量收集模块、反向散射电路和主动传输电路；所述认知反向散射用户在传输时间内采用时分多址进行数据传输，整个传输时间帧T包括反射传输阶段T
B
和主动传输阶段T
A
；在反射传输阶段内，主接收机在授权频谱上传输数据；在主动传输阶段内，主接收机停止在授权频谱上传输；所述认知反向散射用户使用所述频谱感知模块接入主用户频谱资源，和分别为第k个认知反向散射用户进行反向散射和主动传输的时间，满足和K表示认知反向散射用户数量。3.根据权利要求2所述的一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资源调度方法，其特征在于：所述S1中，通过考虑认知反向散射用户和认知信息接收机收到残余硬件损伤会扭曲期望的接收信号，建立的信号传输模型具体包括：将第k个认知反向散射用户发射信号表示为：其中，x
P
表示主基站的发射信号，c
k
为第k个认知反向散射用户的信号，满足E[|c
k
|2]＝1{，β
k
为第k个认知反向散射用户的反射系数，f
k
表示主基站到第k个认知反向散射用户的信道增益，为硬件损伤引起的失真噪声，且为硬件损伤引起的失真噪声，且表示第k个认知反向散射用户处的硬件损伤电平参数；在内，当第k个认知反向散射用户进行反向散射时，认知信息接收机和窃听者分别收到的信号为：
其中，f
P
和f
E
分别表示主基站到认知信息接收机和窃听者的信道增益，h
k
和g
k
分别表示第k个认知反向散射用户到认知信息接收机和窃听者的信道增益，n
B,R
为硬件损伤引起的失真噪声，且CN()表示复高斯分布，P0表示主基站的总发射功率，κ
R
表示认知信息接收机处的硬件损伤电平参数，n
U
和n
E
表示认知信息接收机和窃听者处的高斯白噪声，满足和和表示用户处噪声的方差，表示窃听者处噪声的方差；在内，第k个认知反向散射用户和窃听者的吞吐量分别为：内，第k个认知反向散射用户和窃听者的吞吐量分别为：其中，其中，和分别表示在反射传输阶段第k个认知反向散射用户和窃听者的速率；在T
B
内，第k个认知反向散射用户的保密速率为：当第k认知反向散射用户在内进行反向散射时，其余认知反向散射用户进行能量收集，硬件损伤失真噪声和高斯白噪声引入的能量均远小于有用信息部分引入的能量收集，忽略硬件损伤和噪声引入的能量收集，则第k个认知向散射用户收集到的总能量为：其中，η表示能量收集系数在内，认知反向散射用户采用频谱感知检测到主接收机未使用授权频谱，则认知反向散射用户使用在反射传输阶段收集到的能量，通过时分多址方式主动向认知信息接收机传输数据，认知反向散射用户进行主动传输时，认知信息接收机和窃听者收的信号为：和窃听者收的信号为：其中，p
k
为第k个认知反向散射用户主动传输阶段的发射功率；和n
A,R
分别为第k个认知反向散射用户和认知信息接收机处的硬件损伤，满足和则在第k个认知反向散射用户和窃听者的吞吐量分别表示为：
其中，和分别表示在主动传输阶段第k个认知反向散射用户和窃听者的速率，同理，在内，第k个认知反向散射用户满足的保密速率为：提出干扰温度模型描述主接收机端的干扰大小，用于在共享资源时，主用户的正常通信不受影响；第k个认知反向散射用户对第m个主接收机产生的干扰满足如下约束：其中，g
k,m
为第k个认知反向散射用户到第m个主接收机的信道增益，为第k个认知反向散射用户对第m个主接收机产生的最大干扰阈值；第k个认知反向散射用户相应的总能耗为：其中，和分别表示第k认知反向散射用户进行反向散射和主动传输时的电路消耗。4.根据权利要求3所述一种面向信息安全的认知反向散射通信鲁棒资...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇军，姜思巧，来容，薛青，张海波，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：