[發明專利]一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸方法及系統

有效

• 申請號: 202010147290.8
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111356130B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 王政;喬靜萍;田杰;邊際
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: H04W12/03
• 分類號: H04W12/03;H04W12/121;H04W24/02;H04W24/06;H04W40/10;H04W40/22
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

1.一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸方法，其特征在于，包括：

中繼接收由信源發送的能量信號，進行能量的收割；

中繼接收由信源發送的攜帶隱私信號的信息，利用收割的能量將信息轉發至合法接收端，且竊聽用戶接收該信息；

根據合法接收端和竊聽用戶接收的信息計算非完美竊聽信道狀態下的保密率下界；

根據能量波束、信息波束、時分因子、功率分配因子構建最大化保密率的目標函數，采用迭代收斂優化方法將該目標函數分解為三個子優化問題并依次計算最優解，在滿足迭代算法收斂條件下的最優解基礎上，以最優解下獲得的最優保密率進行信息保密傳輸；

所述目標函數為：

(Pl)

其中，W_H為能量波束，W_S為信息波束，α為時分因子，δ為功率分配因子，為保密率下界；

采用迭代收斂優化方法計算目標函數，具體過程包括：

給定信息波束和時分因子，建立能量波束和功率分配因子聯合優化子函數，即s.t.||w_H||²＝1，0＜δ≤1；

利用矩陣的最大特征值λ_max對應的單位特征矢量q^unit，求得且δ＝min{1，μ/λ_max}；其中，ζ為索引項，表示一根或兩根天線進行能量收割；h_r1和h_r2為信源到中繼的信道；

當自干擾完全消除時，否則利用數值求解方法獲得最優μ的數值；其中，h₂為中繼到合法接收端信道，N₀為方差，P_s為信源發送功率；k＝ηα/(1-α)，η為能量收割效率；

在求得的(w_H，δ)和給定的時分因子條件下，建立信息波束優化子函數，即s.t.||w_s||²≤1；

利用多輸入單輸出MISO系統通信特性，借助最大比合并傳輸方法，求得信息波束的解為

建立時分因子優化子函數，即s.t.0＜α＜1，時分因子優化子函數是時分因子的凹函數，在α∈(0，1)始終存在唯一最優解，采用牛頓法求得該最優解。

2.如權利要求1所述的一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸方法，其特征在于，在能量收割效率為η的情況下，中繼的轉發功率為：

其中，0＜η＜1。

3.如權利要求1所述的一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸方法，其特征在于，在第n個時間塊中繼接收由信源發送的攜帶隱私信號的信息，即：

其中，f為中繼自干擾信道，x_s[n]是信息信號，x_r[n]是干擾信號，n_r[n]是方差為N₀的加性高斯白噪聲；

采用放大轉發協議，接收中繼放大系數β，將攜帶隱私信號的信息轉發到合法接收端。

4.如權利要求1所述的一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸方法，其特征在于，合法接收端和竊聽用戶接收到的信息分別表示為：

其中，h₂為中繼到合法接收端信道，g為中繼到竊聽用戶信道，為殘差干擾信道，是殘差干擾信號，n_r[n]是方差為N₀的加性高斯白噪聲，n_d和n_e都是均值為0、方差為N₀的加性高斯白噪聲，β為中繼放大系數，P_s為信源發送功率，P_r為中繼可用的轉發功率。

5.一種無線供能全雙工中繼協作的保密傳輸系統，其特征在于，包括無線供能全雙工協作中繼模型和保密傳輸模塊；

所述無線供能全雙工協作中繼模型包括信源、合法接收端、中繼以及竊聽用戶；

所述中繼接收由信源發送的能量信號，進行能量的收割；

所述中繼接收由信源發送的攜帶隱私信號的信息，利用收割的能量將信息轉發至合法接收端，且竊聽用戶接收該信息；

所述保密傳輸模塊被配置為根據合法接收端和竊聽用戶接收的信息計算非完美竊聽信道狀態下的保密率下界；

所述保密傳輸模塊被配置為根據能量波束、信息波束、時分因子、功率分配因子構建最大化保密率的目標函數，采用迭代收斂優化方法計算所述目標函數的最優解，以該最優解下獲得的最優保密率進行信息保密傳輸；

所述目標函數為：

(Pl)

其中，W_H為能量波束，W_S為信息波束，α為時分因子，δ為功率分配因子，為保密率下界；

采用迭代收斂優化方法計算目標函數，具體過程包括：

給定信息波束和時分因子，建立能量波束和功率分配因子聯合優化子函數，即s.t.||w_H||²＝1，0＜δ≤1；

利用矩陣的最大特征值λ_max對應的單位特征矢量q^unit，求得且δ＝min{1，μ/λ_max}；其中，ζ為索引項，表示一根或兩根天線進行能量收割；h_r1和h_r2為信源到中繼的信道；

當自干擾完全消除時，否則利用數值求解方法獲得最優μ的數值；其中，h₂為中繼到合法接收端信道，N₀為方差，P_s為信源發送功率；k＝ηα/(1-α)，η為能量收割效率；

在求得的(w_H，δ)和給定的時分因子條件下，建立信息波束優化子函數，即s.t.||w_s||²≤1；

利用多輸入單輸出MISO系統通信特性，借助最大比合并傳輸方法，求得信息波束的解為

建立時分因子優化子函數，即s.t.0＜α＜1，時分因子優化子函數是時分因子的凹函數，在α∈(0，1)始終存在唯一最優解，采用牛頓法求得該最優解。