基于物理層安全的中繼系統功率分配方法與流程
本發明屬于無線通信技術領域，特別是一種中繼系統數據傳輸功率的分配方法，可應用于無線中繼傳感器網絡系統。
背景技術：
隨著無線技術的飛速發展和應用領域不斷擴張，無線中繼傳感器網絡對能源的消耗也在顯著增長。由于各種無線設備的大量應用，將帶來更多的能源消耗，所以無線通信中節能減排的責任重大。傳統的無線設備均是由電池進行供電。當這些電池出現問題或電量完全耗盡以后，想要完成對放置在空間中的無線設備進行電池的更換是非常困難的，不僅需要耗費大量的人力、物力、財力，而且對于資源也是一種極度的浪費。近年來，人們開始考慮可再生能源為無線通信設備供能，比如無線信息與能量協作傳輸swipt技術。該技術正好契合了可再生能源應用于無線傳感器網絡的動機，能夠有效的提高系統的生存時間，具備綠色環保、部署靈活和維護便利等在綠色通信系統應具有的諸多優點，并且避免了傳統無線設備需要更換電池或者電力供應的缺點。因此，無線信息與能量協作傳輸swipt技術在無線中繼傳感器網絡中的應用受到了國內外學者的廣泛關注。
現有的大部分關于無線中繼傳感器網絡系統中的功率分配問題的解決方法都是通過最優化系統功率分配方法來降低系統的總能耗，即就是上述的傳統的無線設備。對于近年來人們提出的無線信息與能量協作傳輸swipt技術的研究大部分也都是應用在非再生中繼無線通信系統中，即不考慮中繼節點的重復利用。l.q.zhong，z.qi,andq.j.yin等人在其發表的論文“securerelaybeamformingforsimultaneouswirelessinformationandpowertransferinnonregenerativerelaynetworks”(ieeetransactionsonvehicletechnology,vol.63,no.5,pp.2462-2467,jun.2014.)中提出了一種基于swipt技術的安全式非再生中繼網絡的功率分配方法，該方法中，在中繼節點傳輸功率和吸收能量受限的條件下，為了達到更高的安全率，實現較低的系統復雜度，提出了非再生中繼無線通信系統中傳輸功率的分配方式。這種方法由于沒有考慮中繼節點的可再生，且得到的功率分配方法是次優的，因而不能更好地滿足綠色通信的需求。
技術實現要素：
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于物理層安全的中繼系統功率分配方法，以減小資源浪費。
實現本發明的技術思路是：在點到點的無線中繼傳感器網絡中，將信源發送的數據信息通過無線信道發送給中繼節點，中繼節點通過功率分割機制將接收到的部分信源信息轉換成吸收能量，以對剩余源發送信息進行放大并通過無線信道發送到目的節點。考慮到無線信息傳輸的安全性問題，竊聽節點通過信源發送信息和中繼節點的接收信息去竊聽信息。在保證系統中斷概率最小的條件下，實現中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的最優分配。具體實現步驟包括如下：
(1)在點到點的無線中繼通信系統模型中，分別計算中繼節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρsr、目的節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρd、竊聽節點接收信源信息的瞬時信噪比ρse和竊聽節點接收中繼信息的瞬時信噪比ρre；
(2)根據中繼節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρsr，計算中繼節點的信道容量csr：
csr＝log2(1+ρsr)，
(3)根據目的節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρd，計算目的節點的信道容量cd：
cd＝log2(1+ρd)，
(4)根據竊聽節點接收信源信息的瞬時信噪比ρse，計算竊聽節點接收的信源信息的信道容量cse：
cse＝log2(1+ρse)，
(5)根據竊聽節點接收中繼信息的瞬時信噪比ρre，計算竊聽節點的信道容量ce：
ce＝log2(1+ρse+ρre)，
(6)根據中繼節點的信道容量csr，目的節點的信道容量cd，竊聽節點接收的信源信息的信道容量cse和竊聽節點的信道容量ce，計算系統中斷概率pout：
pout＝pr{(cd-ce)＜rs)|(csr-cse≥rs)}×pr{(csr-cse≥rs)}+pr(csr-cse＜rs)，
其中，pr{·}表示概率函數，rs為中繼節點的安全信道容量；
(7)將中繼節點信源信息的檢測值分配給能量吸收和信息解碼的比值定義為γ，并將該比值γ作為系統中斷概率pout的約束條件，得到中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的最優分配比值γ′：
本發明與現有技術相比具有如下優點：
1.本發明在中繼節點信源信息的檢測值分配給能量吸收和信息解碼的比值約束條件下，通過最小化系統中斷概率，解決了系統數據傳輸功率的最優分配問題，相比于傳統的基于swipt技術的中繼系統中提出的次優功率分配方案，有效降低了系統能耗。
2.本發明由于考慮到了可再生中繼系統，相比于傳統的不可再生中繼系統，本發明能夠有效的提高系統生存時間，節約資源，更好地滿足綠色通信的需求。
附圖說明
圖1是本發明的實現總流程圖；
圖2是本發明中計算中繼節點信道容量csr的子流程圖；
圖3是本發明中計算目的節點信道容量cd的子流程圖；
圖4是本發明中計算竊聽節點接收信源信息信道容量cse的子流程圖；
圖5是本發明中計算竊聽節點信道容量ce的子流程圖；
圖6是本發明中計算最優分配比值γ′的子流程圖；
圖7是本發明中的系統信道條件系數ε和系統中斷概率pout之間的關系仿真圖；
圖8是本發明中信源節點到中繼節點的距離dsr與系統中斷概率pout之間的關系仿真圖；
圖9是本發明中信源節點到中繼節點的距離dsr與分配比值γ之間的關系仿真圖；
圖10是本發明中信源節點到中繼節點的距離dsr與系統中斷概率pout之間的關系仿真圖；
圖11是本發明中信源節點到中繼節點的距離dsr與分配比值γ之間的關系仿真圖；
圖12是本發明中信源節點到竊聽節點的距離dse與信源節點到中繼節點的距離dsr之間的關系仿真圖；
圖13是本發明中信源節點到竊聽節點的距離dse與系統中斷概率pout之間的關系仿真圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的技術方案和效果作進一步詳細描述。
參照圖1，本發明的實現步驟如下：
步驟1，在點到點的無線中繼通信系統模型中，計算中繼節點的信道容量csr。
所述點到點的無線中繼通信系統模型，是由一個信源節點、一個中繼節點、一個目的節點和一個竊聽節點組成。信源發送的數據信息通過無線信道發送給中繼節點，中繼節點采用功率分割機制將中繼節點的檢測信息分為能量吸收和信息轉發兩部分，竊聽節點通過信源發送信息和中繼節點接收信息去竊聽信息。在保證系統中斷概率最小的條件下，實現中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的最優分配。
參照圖2，本步驟的具體實現如下：
(1a)計算中繼節點信源信息的檢測值ysr：
其中，dsr為信源節點到中繼節點的距離，m為路徑損耗指數，hsr為信源節點到中繼節點的無線信道系數，hsr服從均值為0，方差為
(1b)根據步驟(1a)中中繼節點信源信息的檢測值ysr，計算中繼節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρsr：
其中，α為中繼節點能量吸收的效率，0＜α＜1，γ為中繼節點信源信息檢測值進行能量吸收的分配比值，0＜γ＜1；
(1c)根據步驟(1b)中中繼節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρsr，計算中繼節點的信道容量csr：
csr＝log2(1+ρsr)。
步驟2，在點到點的無線中繼通信系統模型中，計算目的節點的信道容量cd。
參照圖3，本步驟的具體實現如下：
(2a)計算中繼節點的吸收能量eh：
其中，dsr為信源節點到中繼節點的距離，m為路徑損耗指數，α為中繼節點能量吸收的效率，0＜α＜1，γ為中繼節點信源信息檢測值進行能量吸收的分配比值，0＜γ＜1，ps為信源的數據傳輸功率，
(2b)根據步驟(2a)中中繼節點的吸收能量eh，計算中繼節點信源信息檢測值的傳輸增益ar：
(2c)根據步驟(2b)中中繼節點信源信息檢測值的傳輸增益ar，計算目的節點信源信息的檢測值yd：
其中，drd為中繼節點到目的節點的距離，m為路徑損耗指數，ar為中繼節點信源信息檢測值的傳輸增益，hrd為中繼節點到目的節點的無線信道系數，hrd服從均值為0，方差為
(2d)根據步驟(2c)中目的節點信源信息的檢測值yd，計算目的節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρd：
(2e)根據步驟(2d)中目的節點信源信息檢測值的瞬時信噪比ρd，計算目的節點的信道容量cd：
cd＝log2(1+ρd)。
步驟3：在點到點的無線中繼通信系統模型中，計算竊聽節點接收信源信息的信道容量cse。
參照圖4，本步驟的具體實現如下：
(3a)計算竊聽節點接收的信源信息yse：
其中，dse為信源節點到竊聽節點的距離，m為路徑損耗指數，hse為信源節點到竊聽節點的無線信道系數，hse服從均值為0，方差為
(3b)根據步驟(3a)中竊聽節點接收的信源信息yse，計算竊聽節點接收信源信息的瞬時信噪比ρse：
(3c)根據步驟(3b)中竊聽節點接收信源信息的瞬時信噪比ρse，計算竊聽節點接收信源信息的信道容量cse：
cse＝log2(1+ρse)。
步驟4：在點到點的無線中繼通信系統模型中，計算竊聽節點的信道容量ce。
參照圖5，本步驟的具體實現如下：
(4a)計算竊聽節點接收的中繼信息yre：
其中，dre為中繼節點到竊聽節點的距離，m為路徑損耗指數，ar為中繼節點信源信息檢測值的傳輸增益，hre為中繼節點到竊聽節點的無線信道系數，hre服從均值為0，方差為
(4b)根據步驟(4a)中竊聽節點接收的中繼信息yre，計算竊聽節點接收中繼信息的瞬時信噪比ρre：
(4c)根據步驟(4b)中竊聽節點接收中繼信息的瞬時信噪比ρre，計算竊聽節點的信道容量ce：
ce＝log2(1+ρse+ρre)，
其中，ρse為竊聽節點接收的信源信息的瞬時信噪比。
步驟5：將中繼節點信源信息的檢測值分配給能量吸收和信息解碼的比值γ作為系統中斷概率pout的約束條件，得到中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的最優分配比值γ′。
參照圖6，本步驟的具體實現如下：
(5a)計算系統中斷概率pout：
pout＝pr{(cd-ce)＜rs)|(csr-cse≥rs)}×pr{(csr-cse≥rs)}+pr(csr-cse＜rs)，
其中，pr{·}表示概率函數，cd為目的節點的信道容量，ce為竊聽節點的信道容量，rs為中繼節點的安全信道容量，csr為中繼節點的信道容量，cse為竊聽節點接收的信源信息的信道容量；
(5b)采用概率論中的全概率公式，將步驟(5a)中系統中斷概率pout整理成如下表達式：
pout＝1-pr{(cd-ce)≥rs}pr{(csr-cse≥rs)}，
(5c)將中繼節點信源信息的檢測值分配給能量吸收和信息解碼的比值γ作為系統中斷概率pout的約束條件，得到中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的最優分配比值γ′：
(5d)將步驟(5c)中描述的最小化問題，等同為第一中間變量b1和第二中間變量b2的乘積的最大化問題：
其中，b1＝pr{(cd-ce)≥rs}，b2＝pr{(csr-cse≥rs)}；
(5e)將步驟(5d)中中繼節點傳感器數據的檢測值分配給能量吸收和信息解碼的比值γ的函數求導，求得的駐點就是中繼節點傳感器數據的檢測值進行能量吸收的最優分配比值γ′。
本發明的效果可以通過下面的仿真實例說明：
1.仿真條件：
使用點到點的無線中繼通信系統，設系統的信源信息為x，令|x|2＝1，信源的數據傳輸功率為ps，令ps＝1dbw，信源節點到中繼節點無線信道系數的方差為
2.仿真平臺：matlab；
3.仿真內容與結果：
仿真1，用本發明方法仿真系統信道條件系數ε與系統中斷概率pout之間的關系，結果如圖7所示。圖7中曲線case1是在信源節點到竊聽節點信道噪聲的方差
從圖7中可以看出：系統中斷概率pout隨著系統信道條件系數ε的增大而減小，也就是說，好的信道的性能會帶來系統性能的增益。在系統信道條件系數ε取值相同的情況下，曲線case1的系統中斷概率pout明顯大于曲線case2的系統中斷概率pout，這主要是因為曲線case1表示竊聽信道的信道噪聲大于中繼信道的信道噪聲，可以降低信息被竊聽的風險。
仿真2，用本發明方法仿真信源節點到中繼節點的距離dsr與系統中斷概率pout之間的關系，結果如圖8所示。
仿真3，用本發明方法仿真信源節點到中繼節點的距離dsr與分配比值γ之間的關系，結果如圖9所示。
從圖8和圖9中可以看出：隨著信源節點到中繼節點的距離dsr的增大，系統中斷概率pout也逐漸增大，而中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的分配比值γ卻逐漸減小。這說明中繼節點距離信源節點越遠，系統需要增大信源信息的發送功率，同時中繼節點將吸收更少的能量，不足以支撐中繼節點進行信息的二次轉發，導致系統的中斷概率pout變大，無法保證安全通信的質量。當竊聽節點和信源節點的夾角θ＝π時的曲線幾乎與
仿真4，用本發明方法仿真信源節點到中繼節點的距離dsr與系統中斷概率pout之間的關系，結果如圖10所示。
仿真5，用本發明方法仿真信源節點到中繼節點的距離dsr與分配比值γ之間的關系，結果如圖11所示。
從圖10和圖11中可以看出：隨著信源節點到中繼節點的距離dsr的增大，系統中斷概率pout也在增大，而中繼節點信源信息的檢測值進行能量吸收的分配比值γ逐漸減小。當信源節點到竊聽節點的距離dse＞1時，意味著竊聽節點靠近目的節點，也就是說可以忽略竊聽節點對信源節點的影響，只考慮dse≤1時的情況。當竊聽節點和信源節點的夾角θ固定時，系統中斷概率pout隨著信源節點到中繼節點的距離dsr的增大而增大。
仿真6，用本發明方法仿真信源節點到竊聽節點的距離dse與信源節點到中繼節點的距離dsr之間的關系，結果如圖12所示。
仿真7，用本發明方法仿真信源節點到竊聽節點的距離dse與系統中斷概率pout之間的關系，結果如圖13所示。
從圖12和圖13中可以看出：當竊聽節點靠近信源節點時，即dse＜1，為了確保系統物理層安全問題，中繼節點也應當靠近信源節點。當竊聽節點遠離信源節點時，為了減小信息的泄露，中繼節點也應當靠近信源節點。隨著信源節點到竊聽節點的距離dse的增大，系統的中斷概率pout會變得越來越小。同時，當信源節點到竊聽節點的距離dse從0.4增長到0.6時，信源節點到中繼節點的距離dsr是魯棒的，也就是說，當已知竊聽節點的信息時，能量吸收節點在某些時候會成為竊聽節點，系統可以采取魯棒的中繼節點去傳輸信息。
綜上，本發明所提出的基于物理層安全的中繼系統功率分配方法，在保證系統中斷概率最小的情況下，能夠實現中繼節點信源信息檢測值進行能量吸收的最優分配，同時考慮到再生中繼節點，是一種解決基于物理層安全的中繼系統中數據傳輸功率分配問題的有效方法。
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