[發明專利]一種基于時分能量采集的半雙工中繼網絡安全傳輸方法

有效

• 申請號: 201611175915.1
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106714174B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 趙睿;方嘉佳;聶志巧;譚星
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: H04W12/08
• 分類號: H04W12/08;H04W40/12;H04W40/22;H04L5/16;H02J50/00
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭

本發明公開了一種基于時分能量采集的半雙工中繼網絡安全傳輸方法，包括信源、中繼及多個信宿節點，所有節點均為單天線；信號的安全傳輸過程分為三個時隙完成，在第一時隙中，中繼節點將接收到信源發送的射頻信號通過能量采集技術轉化為能量；在第二時隙中，信源將有用信息發送給中繼，在第三時隙中，中繼將接收到的信號廣播給信宿；第一中繼所采集到的能量全部被用于第三時隙的信息轉發，且中繼在三個時隙均為半雙工工作模式；中繼從多用戶中選擇一個接收信噪比最大的用時隙戶作為合法用戶進行服務，剩余未被選中的用戶都是潛在的竊聽用戶。本發明將協作技術與時分能量采集技術相結合，降低了竊聽信道的接收信噪比，提升了網絡的安全性能。

技術領域

本發明涉及無線通信和物理層安全領域，特別涉及一種基于時分能量采集的半雙工中繼網絡安全傳輸方法。

背景技術

隨著網絡技術的快速發展，越來越復雜的網絡結構使得信息的安全傳輸更容易受到威脅。基于密鑰體制的高層安全協議和加密算法等方法雖然可以在一定程度上提升信息安全性，但無法克服無線信道的廣播特性和迅速提升的計算能力對信息安全產生的不利影響。物理層安全技術通過充分利用無線信道復雜的空間特性和時變特性，直接從物理層保障信息傳輸的安全性。

多用戶分集是一項廣泛應用的技術，它利用了在無線通信環境下不同用戶所處的獨立衰落信道的特性。這一理念也被應用于中繼網絡中，該中繼網絡中的中繼會協助信源數據，使之傳輸到信宿節點，這會擴大了蜂窩小區的覆蓋或者提高了通信系統的吞吐量。在中繼網絡，為了利用多用戶分集技術，要在信宿節點里機會式選取最佳的點對點信道質量即最佳的信噪比作為目的用戶，這種機會式調度的方法提高了系統的性能以及分集增益。

近幾年，對于無線網絡中能量采集技術的研究受到了廣泛關注，對于不便于大規模采用有線供能的中繼網絡，比如傳感器網絡，傳統的方法是采用電池供電，但是造成后期的網絡維護成本較高，需要定期更換電池或者給電池充電。無線能量采集技術顯著延長了多節點網絡的生命周期，鑒于此，對于采用能量采集技術的協同中繼網絡的研究顯得十分必要。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種基于時分能量采集的半雙工中繼網絡安全傳輸方法，通過將協作技術與時分能量采集技術相結合，使得竊聽信道的接收信噪比降低，提升了網絡的安全性能，從而保障了信號的安全傳輸。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于時分能量采集的半雙工中繼網絡安全傳輸方法，所述半雙工中繼網絡包括信源節點、中繼節點和若干個信宿節點，各節點均配置單天線，中繼為無源節點且采用可變增益放大轉發協議，信號的安全傳輸過程分為三個時隙完成，具體包括：

在第一時隙中，中繼節點將接收到的信源節點發送的射頻信號通過能量采集技術轉化為能量；

在第二時隙中，信源節點將有用信號發送給中繼節點；

在第三時隙中，中繼節點使用第一時隙內所采集到的能量將第二時隙中接收到的信號廣播給信宿節點；并從所述若干個信宿節點中選取一個接收信噪比最大的節點作為合法用戶進行服務，獲取中繼網絡基于瞬時安全速率的安全吞吐量的最優值。

中繼節點在第一時隙內采集到的能量表示為：

其中，0<α<1，α表示時間分配因子，η表示進行無線能量采集時的能量轉換效率因子，T表示三個時隙傳輸的總時長，P_S表示信源節點的發送功率，d_SR表示信源節點到中繼節點的距離，ρ表示路徑損耗因子，h_SR表示信源節點至中繼節點的信道參數。

在第二時隙內，信源節點將有用信息發送給中繼節點，中繼節點接收到的信號表示為：