一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法和系統，屬于無線通信【技術領域】。該方法在發送端BS的信號中加入人工附加噪聲，在保持主用戶鏈路上的信噪比的前提下，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，提升了信息傳輸的安全性；在接入端采用基于時隙切換的動態功率分配方法，利用時隙的切換將一部分信號用作能量采集，另一部分信號用于信息交互，實現能量與信息的同時傳輸，并將用戶從基站中接收到的一部分信號進行能量收集，將該部分信號轉化成化學能儲存在電池中，以滿足該用戶節點運作的動力所需；同時，本方法針對實際信道信息的不完整特性，采用范數逼近的有損方案，使得系統裝置具有在不完美信道環境中運行的可能性，從而增強了系統的魯棒性。
【專利說明】一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于無線通信【技術領域】，涉及一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法和系統。
【背景技術】
[0002]隨著當前社會的飛速發展，跨學科、多平臺的整合與集成逐漸成為技術創新的重要趨勢與產業進步的源源動力。同時，由于資源的短缺，水源、能源和無線電頻譜等傳統有限資源在人們日益增長的需求下變得捉襟見肘。因此，可持續的科學發展迫切需要整合通信技術與能源技術現有的研究成果，推陳出新，在既滿足人們對高效可靠信息交互的需求的同時，又能有效地應對能源和頻譜短缺的壓力。
[0003]另一方面，信息安全問題也逐漸成為了當前無線通信的一個熱門話題，如何實現加密傳輸，也受到了學者們的重視和關注。
[0004]圖1為一個具有傳統的三個節點的無線攜能通信系統的拓撲示意圖，其中，BS為信號發射基站，User為主鏈上路通信的用戶，負責基站到用戶的信息解碼傳輸，EA是隨機分布在場景中的竊聽者，具有竊聽主鏈路上信息傳輸的能力。User用戶和EA用戶都可能具有從基站發射的信號中采集能量的能力。
[0005]此夕卜，在 Liang Liu and Rui Zhang, “Secrecy Wireless Information and PowerTransfer with MISO Beamoforming，，, IEEE Signal Processing Magazine, vol.62, n0.7 中,如圖2所示:系統中包含一個BS, 一個User節點和K個ER (Energy Receiver)節點，用戶User負責信息的傳輸，周圍的ER用戶是具有能量采集能力的節點，并可以利用相關技術裝置，將采集的能量轉化成化學能并儲存在電池中以備相應User用戶運作的能量所需。然而，從信息傳輸安全角度出發，系統模型中的ER用戶也具有良好的信道信息，所以也有可能成為一些不法分子的竊聽節點，竊聽從B S向U s e r傳輸的信息,從而使得信息傳輸的保密性大大降低，最終引發一系列的信息安全問題。
[0006]在現實通信環境中，發送端基站BS不難擁有主用戶鏈路上的信道靜態信息，然而由于竊聽用戶存在的位置隨機性，使得基站BS不可能擁有竊聽鏈路上完整的信道靜態信息，因此，傳統的無線攜能系統并未考慮了存在信道的不確定性，也就是信道的魯棒性。
【發明內容】
[0007]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法和系統，并針對不完美信道的系統環境提出了相應的魯棒性解決方法。
[0008]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0009]一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法，所述通信方法在發送端BS的信號中加入人工附加噪聲，在保持主用戶鏈路上的信噪比的前提下，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，最后提升信息傳輸的安全性；[0010]在接入端用戶處采用基于時隙切換的動態功率分配方法，利用時隙的切換將一部分信號用作能量采集，另一部分信號用于信息交互，實現能量與信息的同時傳輸；在接入端用戶處對能量進行采集，將用戶從基站中接收到的一部分信號進行能量收集，并將該部分信號轉化成化學能儲存在電池中，以滿足該用戶節點運作的動力所需。
[0011]進一步，在所述通信方法中還針對實際信道信息的不完整特性，采用范數逼近不完美信道模型的方法，并充分利用信道中已知的靜態信息，獲得二次型分離算子，從而得到系統參數矩陣，同時，對信道描述矩陣進行解耦，改寫系統模型的約束條件，使得裝置在不完美信道的情形下也具有運行的適應性，從而增強了系統的魯棒性。
[0012]一種基于加密傳輸和無線攜能的通信系統，包括發送端基站BS的基站控制器、接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置以及接收端主用戶User的信號檢測控制器；所述發送端基站BS的基站控制器用于在產生的信號中加入人工附加噪聲，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，提升信息傳輸的安全性；
[0013]所述接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置用于在接收到發自基站BS的信號之后，使用動態功率分配的方式實現將一部分信號用于能量采集，另一部分信號用于信息傳輸，在能量傳輸的同時完成信息交互，實現能量與信息的并行傳輸；
[0014]所述接收端主用戶User的信號檢測控制器用于將接收到的混合信號經合理選取解調技術和信號檢測技術提取有用信號并進行輸出。
[0015]進一步，所述發送端基站BS的基站控制器包括:
[0016]檢測模塊，用于檢測主鏈路信道特性和竊聽鏈路信道特性；控制模塊，用于根據檢測模塊得到的主鏈路和竊聽鏈路特性分析相應數據，設計產生相應的人工附加噪聲；生成模塊，用于根據控制模塊的信息合成信號與人工噪聲組成的混合信號，并采用相應的調制技術生成調制信號；發送模塊，用于將生成模塊產生的混合信號從發送端基站BS發出。
[0017]進一步，所述接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置包括:控制模塊，用于利用不同的時隙之間的切換，完成能量采集和信息傳輸之間的動態分配，實現信息與能量的并行傳輸；能量采集模塊，用于從接收的信息中采集能量，為用戶節點提供運作的動力；信息解碼模塊，用于從接收的信息中提取信息，為用戶與基站間實現信息交互。
[0018]進一步，所述接收端主用戶User的信號檢測控制器包括:控制模塊，用于控制信號檢測控制器的運行；檢測模塊，用于檢測主鏈路的信道特性，獲取相應的信道靜態信息，并接收相應的信號；解調模塊，用于采用相應的解調技術對混合信號進行解調；信號提取模塊，用于對經過解調模塊解調的信號進行還原并提取不包含附加噪聲的有用信號。
[0019]本發明的有益效果在于:在發送端BS的信號中采用加入人工附加噪聲，一方面可以在維持主鏈路用戶的通信信噪比的前提下，極大降低周圍可能存在的竊聽用戶的信噪t匕，從而使得信息的保密程度大大加強；另一方面，盡管發送的信息中包含一部分的噪聲，但是從能量收集角度出發，發送的噪聲也跟發送的信號一樣，可以用于相應的裝置中進行能量收集。另外在接收端的User用戶中采用基于時隙切換實現動態功率分配的方式，同時進行能量收集和信息傳輸，在滿足支撐該用戶的運作動力的同時進行與發射基站的通信。
【專利附圖】
【附圖說明】[0020]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0021]圖1是帶有三個節點的傳統無線攜能系統的模型示意圖；
[0022]圖2是另一種無線攜能系統模型示意圖；
[0023]圖3是發送端基站BS的基站控制器示意圖；
[0024]圖4是接收端用戶User的動態功率分配裝置示意圖；
[0025]圖5是接收端用戶User的信號檢測控制器示意圖；
[0026]圖6是本發明系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0028]本發明提供了一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法，該方法從信息傳輸安全角度出發，在發送端BS的信號中加入人工附加噪聲，在保持主用戶鏈路上的信噪比的前提下，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，提升信息傳輸的安全性，即:接收端主用戶User和竊聽用戶在收到發送端基站BS的信號之后，其信噪比分別SINRh和SINRgk,在本發明中，在保證主鏈路用戶的通信信噪比SINRh的前提下，通過調整人工附加噪聲的信號發送的幅度和方向，利用信道和信號的正交性，采用波束成形技術，降低周圍可能存在的竊聽用戶的信噪比SINRgk,從而使得信息的保密程度得到加強，最終實現基站和主用戶User間的加密傳輸。
[0029]在接入端用戶處采用基于時隙切換的動態功率分配方法，利用時隙的切換將一部分信號用作能量采集，另一部分信號用于信息交互，實現能量與信息的同時傳輸；在接入端用戶處對能量進行采集，將用戶從基站中接收到的一部分信號進行能量收集，并將該部分信號轉化成化學能儲存在電池中，以滿足該用戶節點運作的動力所需，實現綠色節能的目的。
[0030]同時，針對實際信道信息的不完整特性，采用范數逼近不完美信道模型的方法，并充分利用信道中已知的靜態信息，獲得二次型分離算子，從而得到系統參數矩陣，同時，對信道描述矩陣進行解耦，改寫系統模型的約束條件，使得裝置在不完美信道的情形下也具有運行的適應性，從而增強了系統的魯棒性。
[0031]具體來說，本方法包括以下步驟:
[0032]a.發送基站BS采用附加人工噪聲的方式發送信號，如下所示:
【權利要求】
1.一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法，其特征在于: 所述通信方法在發送端BS的信號中加入人工附加噪聲，在保持主用戶鏈路上的信噪比的前提下，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，最后提升信息傳輸的安全性； 在接入端用戶處采用基于時隙切換的動態功率分配方法，利用時隙的切換將一部分信號用作能量采集，另一部分信號用于信息交互，實現能量與信息的同時傳輸；在接入端用戶處對能量進行采集，將用戶從基站中接收到的一部分信號進行能量收集，并將該部分信號轉化成化學能儲存在電池中，以滿足該用戶節點運作的動力所需。
2.根據權利要求1所述的一種基于加密傳輸和無線攜能的通信方法，其特征在于:在所述通信方法中還針對實際信道信息的不完整特性，采用范數逼近不完美信道模型的方法，并充分利用信道中已知的靜態信息，獲得二次型分離算子，從而得到系統參數矩陣，同時，對信道描述矩陣進行解耦，改寫系統模型的約束條件，使得裝置在不完美信道的情形下也具有運行的適應性，從而增強了系統的魯棒性。
3.一種基于加密傳輸和無線攜能的通信系統，其特征在于:包括發送端基站BS的基站控制器、接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置以及接收端主用戶User的信號檢測控制器； 所述發送端基站BS的基站控制器用于在產生的信號中加入人工附加噪聲，根據信道與人工噪聲的正交性，采用波束成形技術，使得竊聽鏈路的信噪比降低，從而使得系統的加密傳輸速率增大，提升信息傳輸的安全性； 所述接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置用于在接收到發自基站BS的信號之后，使用動態功率分配的方式實現將一部分信號用于能量采集，另一部分信號用于信息傳輸，在能量傳輸的同時完成信息交互，實現能量與信息的并行傳輸； 所述接收端主用戶User的信號檢測控制器用于將接收到的混合信號經合理選取解調技術和信號檢測技術提取有用信號并進行輸出。
4.根據權利要求3所述的一種基于加密傳輸和無線攜能的通信系統，其特征在于:所述發送端基站BS的基站控制器包括: 檢測模塊，用于檢測主鏈路信道特性和竊聽鏈路信道特性； 控制模塊，用于根據檢測模塊得到的主鏈路和竊聽鏈路特性分析相應數據，設計產生相應的人工附加噪聲； 生成模塊，用于根據控制模塊的信息合成信號與人工噪聲組成的混合信號，并采用相應的調制技術生成調制信號； 發送模塊，用于將生成模塊產生的混合信號從發送端基站BS發出。
5.根據權利要求3所述的一種基于加密傳輸和無線攜能的通信系統，其特征在于:所述接收端主用戶User的基于時隙切換的動態功率分配裝置包括: 控制模塊，用于利用不同的時隙之間的切換，完成能量采集和信息傳輸之間的動態分配，實現信息與能量的并行傳輸； 能量采集模塊，用于從接收的信息中采集能量，為用戶節點提供運作的動力； 信息解碼模塊，用于從接收的信息中提取信息，為用戶與基站間實現信息交互。
6.根據權利要求3所述的一種基于加密傳輸和無線攜能的通信系統，其特征在于:所述接收端主用戶User的信號檢測控制器包括: 控制模塊，用于控制信號檢測控制器的運行； 檢測模塊，用于檢測主鏈路的信道特性，獲取相應的信道靜態信息，并接收相應的信號; 解調模塊，用于采用相應的解調技術對混合信號進行解調； 信號提取模塊，用于對經過解調模塊解調的信號進行還原并提取不包含附加噪聲的有用信號 。
【文檔編號】H04K1/02GK104022841SQ201410272709
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】唐倫, 喻曉春, 劉伊莎, 陳前斌 申請人:重慶郵電大學