[發明專利]一種利用能量站提升物理層安全性能的通信系統和方法

有效

• 申請號: 201610212636.1
• 申請日: 2016-04-07
• 公開（公告）號: CN105744516B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 鐘財軍;姜鑫;張朝陽
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04L29/06;H04B7/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

1.一種利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的通信系統包括源節點，合法接收節點，竊聽接收節點和能量站；所述的能量站配置有N根天線，源節點配置有M根天線，合法接收節點和竊聽接收節點配置單根天線；所述的能量站和源節點構成無線能量傳輸子系統；所述的源節點、合法接收節點和竊聽接收節點構成無線信號傳輸子系統；所述的能量站、合法接收節點和竊聽接收節點構成無線干擾信號傳輸子系統；所述的能量站基于對無線干擾信號傳輸子系統中的兩個干擾信道的信道狀態信息獲取程度，能量站設計相應的波束賦形器w；

所述的能量站設計相應的波束賦形器w包括如下步驟：

1)能量站通過偵聽合法接收節點和竊聽接收節點的導頻，估計兩個干擾信道的信道狀態信息；

2)如果能量站能夠估計出能量站與相應的合法接收節點和竊聽接收節點之間的信道狀態信息，則能量站設計波束賦形器w₁，使用迫零技術消除無線干擾信號對合法接收節點的影響，同時最大化對竊聽接收節點的無線干擾信號；否則轉入步驟3)；

3)如果能量站能夠估計出能量站與相應的合法接收節點的信道狀態信息，但無法估計能量站與竊聽接收節點之間的信道狀態信息，則能量站設計波束賦形器w₂，使用迫零技術消除對合法接收節點的無線干擾信號；否則轉入步驟4)；

4)如果能量站能夠估計出部分能量站與合法接收節點之間的信道狀態信息，但無法獲得能量站與竊聽接收節點之間的信道狀態信息；

則能量站設計波束賦形器w₃，合法接收節點將與實際干擾信道正交性最強的碼書向量反饋給能量站，能量站直接用此向量作為波束賦形器w₃；

或者，能量站設計波束賦形器w₄，合法接收節點將與實際干擾信道最匹配的碼書向量反饋給能量站，能量站將該最匹配的碼書向量視為其與合法接收節點之間的最佳信道狀態信息估計，并使用迫零技術消除對合法接收節點的無線干擾信號。

2.根據權利要求1所述的利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的通信系統在一個時隙T中按照時間分配因子θ分別進行能量傳輸和信息傳輸，其中0＜θ＜1；在前θT時間內，能量站向源節點傳輸無線能量；在后(1-θ)T時間內，源節點向合法接收節點傳輸無線信號，竊聽接收節點對所述的無線信號進行竊聽，同時能量站向合法接收節點和竊聽接收節點發射無線干擾信號。

3.根據權利要求1所述的利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的步驟2)中波束賦形器w₁其目標函數與約束條件分別表示為：

||w₁||＝1

其中，w₁表示波束賦形器，h_JD和h_JE分別表示能量站與合法接收節點以及能量站與竊聽接收節點的信道狀態信息，T表示轉置運算符號；

所得到的波束賦形器w₁為：

其中，'表示共軛運算符號，表示h_JD列空間的正交補，I_N表示N階單位矩陣。

4.根據權利要求1所述的利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的步驟3)中波束賦形器w₂為奇異值分解的N-1個左奇異向量中的任意一個，其中N為能量站的天線數目。

5.根據權利要求1所述的利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的步驟4)中波束賦形器w₃為：

其中，表示能量站與合法接收節點間信道響應的方向向量，表示碼書向量，C表示碼書集合，表示正交性最強的碼書向量。

6.根據權利要求1所述的利用能量站提升物理層安全性能的通信系統，其特征在于，所述的步驟4)中波束賦形器w₄為：

其中，表示能量站與合法接收節點間信道響應的方向向量，表示碼書向量，C表示碼書集合，表示最匹配的碼書向量。

7.基于權利要求1～6任一所述的通信系統來利用能量站提升物理層安全性能的方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)能量站在前θT時間內向源節點傳輸無線能量；

(2)能量站通過偵聽合法接收節點和竊聽接收節點的導頻，估計兩個干擾信道的信道狀態信息；

(3)能量站基于兩個干擾信道的信道狀態信息獲取程度設計相應的波束賦形器w；

(4)在后(1-θ)T時間內，源節點向合法接收節點傳輸無線信號，竊聽接收節點對所述的無線信號進行竊聽，同時能量站采用波束賦形器w向合法接收節點和竊聽接收節點傳輸無線干擾信號。