一种具有物理层安全的中继协作空中计算方法及系统

本发明涉及无线通信，具体涉及一种具有物理层安全的中继协作空中计算方法及系统。

背景技术：

1、传统的通信计算分离的多址接入方式需要在数据汇合处先对每个传感器发来的数据进行解码，然后再进行汇总处理得到所需的数据。空中计算技术使用了无线信道的叠加特性，多个节点以非正交多址方式接入数据中心节点，如果需要所有数据的求和形式，中心节点可以接收到所传输的叠加信号，对该叠加信号进行处理，可以直接获得所需的数据。实际的无线通信过程中，系统会受到噪声的影响，传感器设备发送信号的功率是有限的，所以目前对空中计算技术的研究主要是在不同条件下对发送和接收因子进行约束设计，以控制整个系统的功率，使接收节点处的计算均方误差最小，以获得较准确的计算数值，而对于空中计算物理层安全的研究非常少。

2、在空中计算传输的过程中，如果发送节点和接收节点之间因为环境因素导致不能直接通信，或者二者间的距离较远，由于无线信道的衰落特性，所接收到的信号会严重失真，导致无法恢复出有用的数据，在较长距离的空中计算系统中，采用中继进行协助通信是很有必要的。目前已有学者对使用中继的空中计算系统进行研究，而现有研究也主要集中在各种通信条件下对空中计算系统进行功率控制，以在接收端获得较准确的计算数据，还没有对中继传输过程的安全性进行考虑的研究。由于无线信道具有广播特性，在信号的传输过程中难免会存在恶意的窃听节点，窃听节点可以加入数据传输，在空中计算通信的过程中接收多个节点和中继传输的信号，使得信号在传输过程中存在较高的被窃听风险。

技术实现思路

1、为了解决现有的信号在传输过程中存在较高的被窃听风险的问题，本发明的目的在于提供一种具有物理层安全的中继协作空中计算方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，本发明提供了一种具有物理层安全的中继协作空中计算方法，该方法包括以下步骤：

3、每个传感器节点向中继节点发送无线信号，中继节点接收所有传感器节点发送信号的叠加信号，中继节点将所述叠加信号转发给接收节点，窃听节点和接收节点接收到信号；根据窃听节点接收到的信号，构建第一均方差函数；根据接收节点接收到的信号，构建第二均方差函数；

4、初始化传感器节点的发射功率因子和中继节点的发射功率因子，根据调整前传感器节点的发射功率因子、调整前中继节点的发射功率因子、第一均方差函数和第二均方差函数，确定调整后对应的去噪因子、传感器节点的发射功率因子的调整值和中继节点的发射功率因子的调整值，并对传感器节点的发射功率因子和中继节点的发射功率因子进行调整；根据调整后对应的去噪因子、调整后中继节点对应的发射功率因子、调整后传感器节点对应的发射功率因子以及第二均方差函数，获得最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子；

5、基于所述最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子对无线信号进行传输。

6、第二方面，本发明提供了一种具有物理层安全的中继协作空中计算系统，包括存储器和处理器，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以实现上述所述的一种具有物理层安全的中继协作空中计算方法。

7、优选的，所述第一均方差函数为：

8、

9、q＝|aehrebrhi,arbi,a+aehi,aebi,a-1|

10、其中，msee为第一均方差函数，q为子函数，σae2为第一阶段通信时窃听节点接收到的加性高斯白噪声的功率，ae为窃听节点的去噪因子，σar2为第一阶段通信时中继节点接收到的加性高斯白噪声的功率，hre为中继节点到窃听节点的信道系数，br为中继节点的发射功率因子，σre2为第二阶段通信时窃听节点接收到的加性高斯白噪声的功率，hi,ar为第i个传感器节点到中继节点的信道系数，bi,a为第i个传感器节点的发射功率因子，hi,ae为第i个传感器节点到窃听节点的信道系数，k为传感器节点的数量；

11、所述第一阶段为各传感器节点向中继节点发送无线信号的阶段；所述第二阶段为中继节点将所述叠加信号转发给接收节点的阶段。

12、优选的，所述第二均方差函数为：

13、

14、其中，msed为第二均方差函数，k为传感器节点的数量，ad为接收节点的去噪因子，hrd为中继节点到接收节点的信道系数，br为中继节点的发射功率因子，hi,ar为第i个传感器节点到中继节点的信道系数，bi,a为第i个传感器节点的发射功率因子，σar2为第一阶段通信时中继节点接收到的加性高斯白噪声的功率，ad为接收节点的去噪因子，σrd2为第二阶段通信时接收节点接收到的加性高斯白噪声的功率；

15、所述第一阶段为各传感器节点向中继节点发送无线信号的阶段；所述第二阶段为中继节点将所述叠加信号转发给接收节点的阶段。

16、优选的，所述根据调整前传感器节点的发射功率因子、调整前中继节点的发射功率因子、第一均方差函数和第二均方差函数，确定调整后对应的去噪因子、传感器节点的发射功率因子的调整值和中继节点的发射功率因子的调整值，包括：

17、将当前次调整前传感器节点的发射功率因子和中继节点对应的发射功率因子代入第二均方差函数中，得到当前次调整后对应的去噪因子；

18、基于所述当前次调整后对应的去噪因子、第一均方差函数和第二均方差函数，得到当前次中继节点的发射功率因子的调整值；

19、基于所述当前次调整后对应的去噪因子、当前次中继节点的发射功率因子的调整值、第一均方差函数和第二均方差函数，得到当前次传感器节点的发射功率因子的调整值。

20、优选的，所述根据调整后对应的去噪因子、调整后中继节点对应的发射功率因子、调整后传感器节点对应的发射功率因子以及第二均方差函数，获得最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子，包括：

21、对于第t次调整，将第t次调整后对应的去噪因子、第t次调整后中继节点对应的发射因子、第t次调整后传感器节点对应的发射功率因子代入第二均方差函数，得到第t次调整后对应的均方差函数值；

22、将第t次调整后对应的均方差函数值与第t-1次调整后对应的均方差函数值之间的差值绝对值，确定为第t次调整与第t-1次调整的差异；

23、判断所述差异是否满足设定条件，若满足，则将第t次调整后对应的去噪因子确定为最优去噪因子，将第t次调整后中继节点对应的发射因子确定为中继节点的最优发射因子，将第t次调整后传感器节点对应的发射功率因子确定为传感器节点的最优发射功率因子；若不满足，则继续对传感器节点的发射功率因子和中继节点的发射功率因子进行调整，直至满足设定条件，获得最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子。

24、优选的，所述设定条件为：所述差异小于预设差异阈值。

25、本发明至少具有如下有益效果：

26、本发明首先构建了第一均方差函数和第二均方差函数，然后根据调整前传感器节点的发射功率因子、调整前中继节点的发射功率因子、第一均方差函数和第二均方差函数，对传感器节点的发射功率因子和中继节点的发射功率因子进行调整，获得最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子，最后利用获取的最优去噪因子、中继节点的最优发射功率因子、传感器节点的最优发射功率因子完成无线信号的传输工作。本发明可以在功率限制的条件下，通过交替优化算法解决定义的优化问题，得到条件限制下的最优发射功率因子和去噪因子，以保证合法接收节点接收的信号质量，降低窃听节点接收的信号质量，使无线信号传输的安全性能得到提高。