阅读说明：本技术 一种基于能量收集的物理层安全传输方法及系统 (Physical layer secure transmission method and system based on energy collection ) 是由 曹斌 李爽 孙伟 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于能量收集的物理层安全传输方法及系统,该物理层安全传输方法包括：选择步骤：选择与主用户合作的次级用户；合作转发步骤：次级用户是频谱未授权用户,且次级用户A具有认知无线电的特点,能够感知主发送端T的空闲频谱并接入,主发送端T与次级用户A进行合作将信号传输至主接收端R；无线充电传输步骤：主发送端T和主接收端R直接通信,次级用户A进行能量收集以用作自身充电。本发明的有益效果是：在短距离的信号传输中,系统根据当前条件(信道条件或者剩余电量)自适应选择次级用户的辅助方式,辅助方式包括合作转发或者无线充电,来充分保证长时间内主用户信号传输的安全性和可持续性。(The invention provides a physical layer safe transmission method and a system based on energy collection, wherein the physical layer safe transmission method comprises the following steps: selecting: selecting a secondary user who cooperates with the primary user; a cooperation forwarding step: the secondary user is a spectrum unauthorized user, the secondary user A has the characteristic of cognitive radio, and can sense and access the idle spectrum of the main transmitting end T, and the main transmitting end T and the secondary user A cooperate to transmit signals to the main receiving end R; wireless charging transmission: the primary sender T and the primary receiver R communicate directly, and the secondary user a performs energy harvesting for self-charging. The invention has the beneficial effects that: in short-distance signal transmission, the system adaptively selects an auxiliary mode of a secondary user according to the current condition (channel condition or residual capacity), wherein the auxiliary mode comprises cooperative forwarding or wireless charging, so that the safety and sustainability of signal transmission of a primary user in a long time are fully ensured.)

一种基于能量收集的物理层安全传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于能量收集的物理层安全传输方法及系统。

背景技术

现有与物理层安全相结合的无线充电技术大多考虑一个时刻(相干时间)内进行分别能量捕获和信号处理，利用两种信号处理协议：或利用PSR协议将信号能量分为两部分，利用其中一部分进行能量捕获，另一部分用作信号处理；或利用TSR协议将整个持续时间分为两部分，前一部分时间进行能量收集，后一部分时间进行信号传输。

现有技术仅考虑一个相干时间内的能量捕获和信号传输问题，不具有普遍性。现实中传输信号有时候在一个时间段内往往传输不完，需要多个时间段来完成传输。且传输过程中继转发节点往往能量受限，若一直采取耗能模式，那么能量很快将会用完，一旦能量耗尽，那么主用户信号传输的安全性将得不到保证。

发明内容

本发明提供了一种基于能量收集的物理层安全传输方法，包括如下步骤：

步骤1，选择步骤：选择与主用户合作的次级用户，主用户包括主发送端T和主接收端R，次级用户包括次级用户A和次级用户B，次级用户A为中继转发节点，次级用户B为非转发节点；

步骤2，判断步骤：采用信道估计的方式对次级用户A到主接收端R的信道条件进行估计，根据估计结果得到次级用户A所处的信道条件，判断次级用户A所处的信道条件是否达标、并且判断次级用户A当前的剩余电量是否充足，若次级用户A所处的信道条件达标且次级用户A当前的剩余电量充足，那么执行合作转发步骤，若次级用户A所处的信道条件未达标和/或次级用户A当前的剩余电量不充足，那么执行无线充电传输步骤；

合作转发步骤：次级用户是频谱未授权用户，且次级用户A具有认知无线电的特点，能够感知主发送端T的空闲频谱并接入，主发送端T与次级用户A进行合作将信号传输至主接收端R，这样一来不但可以抵抗信号传输中的空间衰落，提高分集增益，还能提升信号传输过程中的安全性，同时，整个系统的频谱利用率也得到提高；

无线充电传输步骤：主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户A进行能量收集以用作自身充电。

作为本发明的进一步改进，所述合作转发步骤包括第一步骤和第二步骤，

第一步骤：主发送端T发送广播信号，次级用户B发送与次级用户A的通信信号，次级用户A会收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，在接收信号时将两个信号进行分离，而窃听端E由于不知道次级用户B所处位置信息，所以很难将次级用户B的信号分离出来，并且窃听者对次级用户的信号并不感兴趣，所以这部分信号实际上可以作为对窃听者的一种干扰，窃听信道被恶化，而主接收端R并不需要次级用户B的信号，所以设置波束成型矩阵，使得次级用户B的信号在主接收端R迫零；

第二步骤：次级用户A发送信息给主接收端R和次级用户B，其中发送给主接收端R的是转发第一步骤收到的主发送端T的信号，发送给次级用户B的是自身的通信信号，由于窃听端E对次级用户A和次级用户B的通信信号并不感兴趣，所以次级用户A和次级用户B的通信信号再次作为干扰窃听端E的噪声存在，窃听端信道再次被恶化，安全传输机制完成；由于主接收端R不需要次级用户A和B的信号，采取设计迫零波束成型矩阵的方法对该信号在主接收端R进行屏蔽。

作为本发明的进一步改进，在所述无线充电传输步骤中，主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户B发射人工噪声干扰窃听端E，次级用户A接收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，由于此时次级用户A所处信道状态并不适合转发信号，所以不需要对信号进行处理，仅仅接收信号并利用配置的能量捕获装置对两个射频信号进行能量捕获，以汲取其中部分的能量用作自身充电。

作为本发明的进一步改进，在所述第一步骤中，次级用户A会收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，在接收信号时采取投影技术将两个信号进行分离。

作为本发明的进一步改进，在合作转发步骤中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断步骤；在无线充电传输步骤中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断步骤；当信号传输完毕或达到停止条件时则结束。

本发明还公开了一种基于能量收集的物理层安全传输系统，包括：

选择模块：用于选择与主用户合作的次级用户，主用户包括主发送端T和主接收端R，次级用户包括次级用户A和次级用户B，次级用户A为中继转发节点，次级用户B为非转发节点；

判断模块：用于采用信道估计的方式对次级用户A到主接收端R的信道条件进行估计，根据估计结果得到次级用户A所处的信道条件，判断次级用户A所处的信道条件是否达标、并且判断次级用户A当前的剩余电量是否充足，若次级用户A所处的信道条件达标且次级用户A当前的剩余电量充足，那么执行合作转发步骤，若次级用户A所处的信道条件未达标和/或次级用户A当前的剩余电量不充足，那么执行无线充电传输步骤；

合作转发模块：次级用户是频谱未授权用户，且次级用户A具有认知无线电的特点，能够感知主发送端T的空闲频谱并接入，主发送端T与次级用户A进行合作将信号传输至主接收端R；

无线充电传输模块：用于主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户A进行能量收集以用作自身充电。

作为本发明的进一步改进，所述合作转发模块包括第一模块和第二模块，

第一模块：用于主发送端T发送广播信号，次级用户B发送与次级用户A的通信信号，次级用户A会收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，在接收信号时将两个信号进行分离，而窃听端E由于不知道次级用户B所处位置信息，所以很难将次级用户B的信号分离出来，并且窃听者对次级用户的信号并不感兴趣，所以次级用户之间的通信信号实际上可以作为对窃听者的干扰，窃听信道被恶化，而主接收端R并不需要次级用户B的信号，所以设置波束成型矩阵，使得次级用户B的信号在主接收端R迫零；

第二模块：用于次级用户A发送信息给主接收端R和次级用户B，其中发送给主接收端R的是转发第一模块收到的主发送端T的信号，发送给次级用户B的是自身的通信信号，由于窃听端E对次级用户A和次级用户B的通信信号并不感兴趣，所以次级用户A和次级用户B的通信信号再次作为干扰窃听端E的噪声存在，窃听端信道再次被恶化，安全传输机制完成；由于主接收端R不需要次级用户A和B的信号，采取设计迫零波束成型矩阵的方法对该信号在主接收端R进行屏蔽。

作为本发明的进一步改进，在所述无线充电传输模块中，主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户B发射人工噪声干扰窃听端E，次级用户A接收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，由于此时次级用户A所处信道状态并不适合转发信号，所以不需要对信号进行处理，仅仅接收信号并利用配置的能量捕获装置对两个射频信号进行能量捕获，以汲取其中部分的能量用作自身充电。

作为本发明的进一步改进，在所述第一模块中，次级用户A会收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，在接收信号时采取投影技术将两个信号进行分离。

作为本发明的进一步改进，在合作转发模块中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断模块；在无线充电传输模块中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断模块；当信号传输完毕或达到停止条件时则结束。

本发明的有益效果是：在短距离的信号传输中，系统根据当前条件(信道条件或者剩余电量)自适应选择次级用户的辅助方式，辅助方式包括合作转发或者无线充电，来充分保证长时间内主用户信号传输的安全性和可持续性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的合作转发策略的整体模型图；

将图2的整体模型分为两个时隙，其中，图3是时隙的前半个部分；

将图2的整体模型分为两个时隙，其中，图4是时隙的后半个部分；

图5是无线充电策略的模型图；

图6是两种策略结合与只有一种策略的比较图；

图7是基于BAS算法的功率分配和其他两种分配方式比较图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种基于能量收集的物理层安全传输方法，包括如下步骤：

步骤1，选择步骤：选择与主用户合作的次级用户，主用户包括主发送端T和主接收端R，次级用户包括次级用户A和次级用户B，次级用户A为中继转发节点，次级用户B为非转发节点；

步骤2，判断步骤：采用信道估计的方式对次级用户A到主接收端R的信道条件进行估计，根据估计结果得到次级用户A所处的信道条件，判断次级用户A所处的信道条件是否达标、并且判断次级用户A当前的剩余电量是否充足，若次级用户A所处的信道条件达标且次级用户A当前的剩余电量充足，那么执行合作转发步骤，若次级用户A所处的信道条件未达标和/或次级用户A当前的剩余电量不充足，那么执行无线充电传输步骤；

合作转发步骤：因为次级用户是频谱未授权用户，所以他需要接入频谱进行通信，而主用户需要寻找合作节点帮助自己完成信号的安全传输，同时，且次级用户A具有认知无线电的特点，能够感知主发送端T的空闲频谱并接入，主发送端T与次级用户A进行合作将信号传输至主接收端R。这时候，主用户和次级用户进行合作，两者的利益均得到满足，具有很高的系统效率。

无线充电传输步骤：主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户A进行能量收集以用作自身充电。因为次级用户中当做中继转发的节点(次级用户A)处于系统的核心关键位置，并且往往是能量受限的节点，一旦电量耗尽，那与主用户的合作将被终止，这时候主次用户的利益均得不到满足，系统效率极低。所以引入能量收集的概念，次级用户A能够进行能量收集以用作自身充电，从而保证自己的能量能够维持在一个合理的范围之内，从而保证和主用户的合作能够一直持续下去。

在所述合作转发步骤中，整个通信过程分为第一步骤和第二步骤，

第一步骤：主发送端T发送广播信号，次级用户B发送与次级用户A的通信信号，因为无线通信的广播性，两个信号会被窃听端E所获取，但是窃听端E对次级用户B的信号并不感兴趣，所以实际上次级用户B的信号对窃听端E是一种干扰，而在次级用户A端会收到两部分的信号，一部分是来自主发送端T的信号，另一部分是来自次级用户B的信号，由于两个信号发送端不同，在接收信号时我们可以采取投影技术将两个信号进行分离。而窃听端E由于不知道次级用户B端所处位置信息，所以很难将次级用户B的信号分离出来，且由于窃听信道多了次级用户的信号作为噪声，窃听信道被恶化。而主接收端R并不需要次级用户B的信号，所以可以设置波束成型矩阵，使得次级用户B的信号在主接收端R端迫零；

第二步骤：次级用户A发送信息给主接收端R和次级用户B，其中发送给主接收端R的是转发第一步骤收到的主发送端T的信号，发送给次级用户B的是自身的通信信号，由于窃听端E对次级用户A和次级用户B的通信信号并不感兴趣，所以次级用户A和次级用户B的通信信号再次作为干扰窃听端E的噪声存在，窃听端信道再次被恶化，安全传输机制完成；由于主接收端R不需要次级用户A和B的信号，采取设计迫零波束成型矩阵的方法对该信号在主接收端R进行屏蔽。这样一来，主用户的信号不受干扰，而窃听端信道被恶化，同时次级用户也得到了自身通信的机会，实现了双赢，系统效率较高。

在所述无线充电传输步骤中，主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户B发射人工噪声干扰窃听端E，次级用户A接收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，由于此时次级用户A所处信道状态并不适合转发信号，所以不需要对信号进行特殊处理，仅仅接收信号并利用配置的能量捕获装置对两个射频信号进行能量捕获，以汲取其中部分的能量用作自身充电。整个过程只有一个时隙，不再划分时隙，但是由于次级用户之间不存在通信过程，系统效率相较于策略一要低一些。

考虑多个时隙的信号安全传输，利用上述两种模型，第一种是上述所说的合作转发模型(合作转发步骤)，该模型适用于：次级用户中，用作转发中继的节点(次级用户A)能量充足，并且转发中继所处信道条件较好，用一定的功率就能满足主接收节点的通信容量需求；第二种模型(无线充电传输步骤)则对第一种模型(合作转发步骤)进行补充，当次级用户用作转发中继的节点能量不足，或者是其所处信道条件较差，即使把该时隙下的大部分，甚至是全部的功率预算都给转发节点，也不能满足与主接收节点的通信容量要求，这时候系统执行第二种模型中的无线充电策略(无线充电传输步骤)：主用户之间直接通信，次级用户中的非转发节点发出干扰噪声以恶化窃听者信号的接收，同时中继节点配备能量捕获装置，能从主用户和次级用户的信号中分别汲取能量用作自身充电以维持自己的后续转发操作。两种策略相互依存，互为补充，在能量受限条件下能够很好地保证系统的传输有持续性，不会出现“断电”的情况。

在合作转发步骤中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断步骤；在无线充电传输步骤中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断步骤；当信号传输完毕或达到停止条件时则结束。

在保证信号的物理层安全传输方面，着重于能量受限的条件下，引入次级用户参与合作，提出两种传输策略：能量充足时的合作转发策略(合作转发步骤)和能量不足时的无线充电传输策略(无线充电传输步骤)。两种策略互为补充，保证在长时间内系统能处于稳定的工作状态中。

在微微蜂窝的短距离传输中，引入次级用户辅助主用户，既保证了信号传输在物理层方面的安全性，同时引入能量收集技术，在次级用户能量受限的条件下，又保证了主用户进行安全的信号传输的可持续性。

本发明还公开了一种基于能量收集的物理层安全传输系统，包括：

选择模块：用于选择与主用户合作的次级用户，主用户包括主发送端T和主接收端R，次级用户包括次级用户A和次级用户B，次级用户A为中继转发节点，次级用户B为非转发节点；

判断模块：用于采用信道估计的方式对次级用户A到主接收端R的信道条件进行估计，根据估计结果得到次级用户A所处的信道条件，判断次级用户A所处的信道条件是否达标、并且判断次级用户A当前的剩余电量是否充足，若次级用户A所处的信道条件达标且次级用户A当前的剩余电量充足，那么执行合作转发步骤，若次级用户A所处的信道条件未达标和/或次级用户A当前的剩余电量不充足，那么执行无线充电传输步骤；

合作转发模块：次级用户是频谱未授权用户，且次级用户A具有认知无线电的特点，能够感知主发送端T的空闲频谱并接入，主发送端T与次级用户A进行合作将信号传输至主接收端R；

无线充电传输模块：用于主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户A进行能量收集以用作自身充电。

所述合作转发模块包括第一模块和第二模块，

第一模块：用于主发送端T发送广播信号，次级用户B发送与次级用户A的通信信号，次级用户A会收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，在接收信号时采取投影技术将两个信号进行分离，而窃听端E由于不知道次级用户B所处位置信息，所以很难将次级用户B的信号分离出来，窃听信道被恶化，而主接收端R并不需要次级用户B的信号，所以设置波束成型矩阵，使得次级用户B的信号在主接收端R迫零；

第二模块：用于次级用户A发送信息给主接收端R和次级用户B，其中发送给主接收端R的是转发第一模块收到的主发送端T的信号，发送给次级用户B的是自身的通信信号，由于窃听端E对次级用户A和次级用户B的通信信号并不感兴趣，所以次级用户A和次级用户B的通信信号再次作为干扰窃听端E的噪声存在，窃听端信道再次被恶化，安全传输机制完成；由于主接收端R不需要次级用户A和B的信号，采取设计迫零波束成型矩阵的方法对该信号在主接收端R进行屏蔽。

在所述无线充电传输模块中，主发送端T和主接收端R直接通信，次级用户B发射人工噪声干扰窃听端E，次级用户A接收到来自主发送端T的信号和来自次级用户B的信号，由于此时次级用户A所处信道状态并不适合转发信号，所以不需要对信号进行处理，仅仅接收信号并利用配置的能量捕获装置对两个射频信号进行能量捕获，以汲取其中部分的能量用作自身充电。

在合作转发模块中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断模块；在无线充电传输模块中，该时刻执行完毕，进入下一时刻的时候，返回执行判断模块；当信号传输完毕或达到停止条件时则结束。

微微蜂窝的短距离传输中，引入次级用户辅助主用户，既保证了信号传输在物理层方面的安全性，同时引入能量收集技术，在次级用户能量受限的条件下，又保证了主用户进行安全的信号传输的可持续性。对于这种两策略结合的方法，我们采取天牛须搜索算法(BAS)对其进行功率分配，并且用Matlab仿真验证了这种启发式的功率分配方法得到的吞吐量比其他两种更高，并且频谱效率和能量效率均比使用传统干扰机要高。其中整体优化模型为：

s.t

α_t＝{0,1}

其中目标函数的意义是N个时隙采取不同策略的系统吞吐量，前两个约束条件为系统功率和能量的限制，第三个限制条件为剩余电量的变化情况，最后一个约束条件是一个决策变量，当系统选择策略一，则决策变量取1，若系统选择策略二，则决策变量取0。具体可以拆分为两种策略分配到功率之后分别得到容量，然后进行相加(关于两种策略的优化，同样可以用天牛须搜索算法进行多维求解得到其最大可达容量)。具体算法的迭代步骤为：

1.初始化N个时刻的功率分配情况；

2.利用单时刻下功率优化的结果，对N个时刻的容量进行求和，作为适应度值(需要对原问题两种策略分别进行迭代求解)；

3.利用天牛须搜索算法对步骤1进行更新，重复步骤2；

4.重复步骤3，直到适应度值收敛或者满足迭代退出条件。

我们取各节点的距离分别为：AT＝AR＝AE＝BE＝5m，TE＝AB＝7m。总的时刻为10个，一个时刻的持续时间为1秒。信道容量阈值为5bps/Hz，传输节点初始电量为5mJ，剩余电量阈值为3.5mJ，能量收集的效率为0.9,。传输节点强制关闭的警戒电量为1.5mJ，低于此电量，系统将不再开启。

图6我们比较了只有策略一(一直耗能)的模式与两种策略结合(充能与耗能俱有)，得到虽然在前几个时刻传输节点A能量充足的情况下，一直采取耗能模式得到的容量可能会大一些，但是随着时间的推移，A节点能量不足，后续系统将强制关闭，这时候容量将不会再增加，反观我们提出的两种策略结合的方法，虽然“起步较慢”，但是能保持系统一直工作，不会关闭，得到吞吐量将会稳步上升。

图7我们比较了三种功率分配方式得到的系统吞吐量，可以看出基于BAS方法得到的吞吐量在相同条件下比其他两种方式得到的吞吐量更高，所以BAS优化方法一定程度上可以作为整个优化问题关于功率分配的方法。

本发明的有益效果：在短距离的信号传输中，系统根据当前条件(信道条件或者剩余电量)自适应选择次级用户的辅助方式，辅助方式包括合作转发或者无线充电，来充分保证长时间内主用户信号传输的安全性和可持续性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。