[发明专利]基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法

权利要求书

1.一种基于机会式无线能量采集非可信中继网络安全传输方法，其特征在于，应用在非可信中继网络安全传输系统，所述系统包括一个信源节点S、一个能量受限中继节点R、一个友好型干扰节点FJ，以及K个目的节点D_k，k∈{1,...,K}；系统中所有的节点都配置单根天线，且工作在半双工模式；信源节点S到目的节点D_k的信息传输过程在一个时隙T内完成；传输方法包括：

在第一时隙αT，能量受限中继节点R将接收的信号功率当中一部分βP_R用于能量采集，剩余的(1-β)P_R用于信息接收；其中P_R表示能量受限中继节点R上接收到总信号功率，β表示功率分配系数，0β1，α表示时间切换系数，0α1；

在第二时隙(1-α)T，能量受限中继节点R利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点；

计算出合法链路和窃听链路的相关信干噪比；

根据合法链路和窃听链路的相关信干噪比，解析出非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率；

在非线性能量采集模型下，最大化非可信中继网络安全传输系统的可达安全速率；

在第一时隙，能量受限中继节点R上采集到的总能量E表示为：

E＝η(βP_S|h₀|²+βP_J|g₀|²)αT

其中，η∈(0,1)表示为能量转换效率因子；P_S表示信源节点S传输信息到能量受限中继节点R的功率；h₀表示信源节点S到能量受限中继节点R之间链路的信道增益；P_J表示友好型干扰节点FJ发送人工噪声降低非可信中继节点的窃听信道容量的功率；g₀表示友好型干扰节点FJ到能量受限中继节点R之间链路的信道增益；

能量受限中继节点R接收的信息为：

其中，x_S为信源节点S广播的密码信息，x_J为友好型干扰节点FJ发送的人工噪声信号，n_R为能量受限中继节点R上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀；

在第二时隙(1-α)T，能量受限中继节点R利用采集到的能量将接收的信息通过放大转发协议发送到选择的第N^th个最佳目的节点，具体包括：

在第二时隙，能量受限中继节点R将接收到的信息以放大增益G转发到OS策略选择的目的节点D_k，其发射功率P_T和放大增益G分别表示为：

目的节点D_k接收到能量受限中继节点R转发的信号为：

其中，h_k表示能量受限中继节点R到目的节点D_k之间链路的信道增益；n_D为目的节点D_k上产生的加性白高斯噪声，噪声方差为N₀；

合法链路的相关信干噪比γ_D和窃听链路的相关信干噪比γ_E分别为：

所述非可信中继网络安全传输系统的遍历安全速率E[R_sec]，表示如下：

E[R_sec]＝E[[C_D-C_R]⁺]

其中，C_D＝(1-α)log₂(1+γ_D)表示合法信道容量，C_R＝(1-α)log₂(1+γ_E)表示窃听信道容量；

可达安全速率的表示如下：

根据α和β的可行解区域，将安全传输的最优的可达安全速率定义为：

P1:

s.t.0α1

0β1

由于γ_D和γ_E远远大于1，将R_S改写为：

解析出最优的β和最优的α的方法包括先固定α的值，解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α；由于非可信中继网络安全传输系统网络采用非线性能量采集接收器，则能量采集效率并不是一个固定的常数，而是会随着输入功率的增加而增加，直到到达某一个能量阈值P_th后，能量采集效率会随着输入功率的继续增加而减小，如下：

其中，表示工作在线性区域的能量采集效率；

解析出最优的β后再反过来继续解析最优的α，具体包括：

(a)当kβP_R≤P_th时，将P_T代入采集的总能量表达式中，由于已知α的值，且根据对数函数的单调特性，去掉式中(1-α)log，不会改变原目标函数单调性，将P1转换为

P2:

将P2简化为：

其中，b₁＝kP_RΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₂＝Ω_jrΩ_rdkP_JP_R，b₃＝1+P_R和b₄＝P_R(kΩ_rd-1)；Ω_sr＝E[|h₀|²]、Ω_jr＝E[|g₀|²]和Ω_rd＝E[|h_k|²]表示平均信道增益，E[H]表示对随机变量H求均值运算；

通过对γ求一阶导数，得到最优的β^*，则

继续推导出最优的α^*，将γ中所有的β都用β^*(α)代替，然后有：

P3:

s.t.0α1

通过Mathematical中的NSolve计算得到最优的α^*；

(b)在kβP_RP_th时，有

其中，b₅＝P_TΩ_rd(1+P_JΩ_jr)，b₆＝P_TΩ_rdP_JΩ_jr和b₇＝P_R+1+P_TΩ_rd，对其一阶求导后可得

利用与(a)中相同的方案即可得到最优的α^*。