一种利用能量站最小化系统保密中断概率的方法与流程

本发明涉及通信领域，具体涉及一种利用能量站最小化系统保密中断概率的方法。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，各种无线通信设备急剧增加，随之而来的无线通信安全性问题也日趋严重。传统的无线通信安全机制主要是以密码学为基础的相关加密技术，但随着计算机运算能力的迅速提升，这项技术的保密基础变得不再牢靠，物理层安全技术应运而生。

无线通信物理层安全技术从信息论的角度出发，利用物理信道的唯一性和互易性，来实现信息加密，辨识合法用户等，旨在实现无条件安全。中国发明专利公开号(CN103986545A)公开了一种用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法，首先期望接收方反向发射随机参考信号，然后发射方使用接收到的参考信号对待传输符号进行置乱后发射，最后期望接收方利用已知参考信号对接收信号进行解调以获得发射方传输的信息。值得指出的是，该发明专利仅公开了发射方能够完美接收到期望接收方反向随机参考信号的情况，没有考虑有限信道状态信息反馈的场景。

另一方面，随着新兴无线业务的不断涌现，移动通信设备的续航时间逐渐成为影响用户体验的关键因素。在无线能量传输技术不断成熟的背景下，研究人员提出了在通信网络中安置固定的供电站，利用无线能量传输技术为网络中的移动设备提供能量。当前，尽管引入供电站的新型无线通信网络架构已引起国际上的广泛关注，但相关研究工作尚处在起步阶段，对供电站的应用仅仅局限于为移动设备提供能量，尚未充分发掘供电站的潜能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用能量站最小化系统保密中断概率的方法，利用能量站提升物理层安全性能。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：

一种利用能量站最小化系统保密中断概率的方法，所述的通信系统包括源节点、合法接收节点、窃听接收节点和能量站；所述的能量站配置有N_J根天线，N_J≥1；所述的源节点配置有N_S根天线，N_S≥1；所述的合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线，具体包括如下步骤：

1)能量站在前θT时间内向源节点传输无线能量，0<θ<1表示时间分配因子，T表示一个时隙；

2)能量站通过侦听源节点、合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计通信系统中的信道状态信息；

3)能量站利用估计得到的信道状态信息，设计相应的最佳波束赋形器w₂；

4)在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站采用波束赋形器w₂向合法接收节点和窃听接收节点传输无线干扰信号，以最小化系统的保密中断概率。

所述的保密中断是指：当系统的保密容量小于给定的信息传输速率时，保密中断。

所述的通信系统在一个时隙T中按照时间分配因子θ分别进行能量传输和信息传输；在前θT时间内，能量站向源节点传输无线能量；在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站向合法接收节点和窃听接收节点发射无线干扰信号。

所述的能量站和源节点构成无线能量传输子系统；所述的源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；所述的能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统。

所述的步骤2)中信道状态信息包括：能量站与源节点、源节点与合法接收节点、源节点与窃听接收节点、能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息。

所述的步骤3)中最佳波束赋形器w₂其目标函数与约束条件分别表示为：

s.t.||w₂||＝1

其中，P_S和N₀分别表示能量站的最大发射功率和合法接收节点的噪声功率；η表示无线射频信号能量转化为电能的能量转换效率；H_JS，h_SD，h_SE，h_JD和h_JE分别表示能量站与源节点，源节点与合法接收节点，源节点与窃听接收节点，能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息；T和′分别表示转置和共轭运算符号。

所述的最佳发射波束赋形器w₂其目标函数与约束条件通过半定松弛的方法进行转化，利用表示共轭转置运算符号，同时省略W秩为1的约束条件，转化为如下形式：

s.t.tr(W)＝1

其中，tr()代表求迹运算符号。

利用Charnes-Cooper转化定理，所得到的最佳波束赋形器w₂通过解如下凸半定规划优化问题结合一维搜索的方法得到；

其中，一维搜索为如下问题：

其中，F(y)为如下凸半定规划优化问题的解：

s.t.s＞0

tr(Z)＝s

所述的凸半定规划优化问题通过MATLAB软件中的CVX工具包进行求解；其中，最优解Z是秩为1的矩阵，且满足即最佳波束赋形器w₂通过对Z进行奇异值分解得到。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明提供一种利用能量站最小化系统保密中断概率的方法，利用能量站提升物理层安全性能，在原有的窃听信道经典模型中引入了无线能量传输技术，通过能量站向系统中的设备终端提供能量，建立了一种应用范围更广、更为实际的模型，避免了传统模型只能够适用于小功耗无线设备终端的约束，有效提升了设备终端的续航能力。

(2)本发明中能量站在为终端提供能量的同时，也可以作为一个干扰源发射干扰信号。利用估计得到的信道状态信息，能量站调整并得到所对应的最佳波束赋形器w₂，使得干扰信号在对窃听接收节点产生较大干扰的同时对合法接收节点产生较小影响，从而大幅提升整个通信系统的保密安全性能。

附图说明

图1为实施例中的通信系统的示意图；

图2为实施例中利用能量站最小化系统保密中断概率的方法流程图；

图3为实施例中优化后的保密中断概率性能随主信道平均信噪比变化的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作更进一步的说明。

实施例

如图1所示，通信系统包括一个源节点、一个合法接收节点、一个窃听接收节点和一个可发射干扰的能量站；源节点的能量利用效率为80％，时间分配因子为0.5，能量站的多天线数目为4，源节点的多天线数目为2。合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线。其中，能量站和源节点构成无线能量传输子系统；源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统。

如图2所示，利用能量站最小化系统保密中断概率的方法，具体包括如下步骤：

1)能量站在前θT时间内向源节点传输无线能量，0<θ<1表示时间分配因子，T表示一个时隙；

2)能量站通过侦听源节点、合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计通信系统中的信道状态信息；

3)能量站利用估计得到的信道状态信息，设计相应的最佳波束赋形器w₂；

4)在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站采用波束赋形器w²向合法接收节点和窃听接收节点传输无线干扰信号，以最小化系统的保密中断概率。

通信系统在一个时隙T中按照时间分配因子θ分别进行能量传输和信息传输；在前θT时间内，能量站向源节点传输无线能量；在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站向合法接收节点和窃听接收节点发射无线干扰信号，当系统的保密容量小于给定的信息传输速率时，保密中断。

所述的步骤2)中信道状态信息包括：能量站与源节点、源节点与合法接收节点、源节点与窃听接收节点、能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息。

所述的步骤3)中最佳波束赋形器w₂其目标函数与约束条件分别表示为：

s.t.||w₂||＝1

其中，P_S和N₀分别表示能量站的最大发射功率和合法接收节点的噪声功率；η表示无线射频信号能量转化为电能的能量转换效率；H_JS，h_SD，h_SE，h_JD和h_JE分别表示能量站与源节点，源节点与合法接收节点，源节点与窃听接收节点，能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息；T和′分别表示转置和共轭运算符号。

所述的最佳发射波束赋形器w₂其目标函数与约束条件通过半定松弛的方法进行转化，利用表示共轭转置运算符号，同时省略W秩为1的约束条件，转化为如下形式：

s.t.tr(W)＝1

其中，tr()代表求迹运算符号。

利用Charnes-Cooper转化定理，所得到的最佳波束赋形器w₂通过解如下凸半定规划优化问题结合一维搜索的方法得到；

其中，一维搜索为如下问题：

其中，F(y)为如下凸半定规划优化问题的解：

s.t.s＞0

tr(Z)＝s

所述的凸半定规划优化问题通过MATLAB软件中的CVX工具包进行求解；其中，最优解Z是秩为1的矩阵，且满足即最佳波束赋形器w₂通过对Z进行奇异值分解得到。

性能分析

为证明实施例中系统的性能变化，本实施例采用保密中断概率性能参数进行分析。图3为本实施例中优化后的保密中断概率性能随主信道平均信噪比变化的关系曲线图。

在此，我们采用其他两种基础策略作为参照：参照一即发送天线选择策略，利用所获得的信道状态信息，选择一根对合法接收节点干扰最小的天线传输无线干扰信号；参照二即最大比发送策略，利用所获得的信道状态信息，将天线对准窃听接收节点发射无线干扰信号，以对其造成较大的干扰。

通过对比可以发现，最佳波束赋形器策略下的性能最优，由此印证了该设计方法的有效性。同时从图3中可以看出，随着主信道平均信噪比的增加，系统的保密中断概率不断减小，即系统的性能不断提升。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。