两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案。此方案中，根据发送端到中继端及中继端到目的端的信道质量，设计了最优的链路选择方案。然后根据中继节点的数据队列状态及能量队列状态，提出了最大化安全速率问题。针对此优化问题，本发明专利技术提出了一个两阶段的迭代求解算法并得到了每个时隙最优的链路选择及功率分配方案。仿真结果表明，本发明专利技术所提方案可以提高用户的安全速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，涉及中继网络中链路选择及功率分配方案设计，具体涉及一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法。
技术介绍
由于无线信道的广播特性，每一个在无线网络传播范围内的用户都可以接收到信息，因此无线网络很容易受到窃听威胁。由于加密的复杂性及密钥传输的困难，传统加密算法越来越受到挑战。基于无线信道的物理特性的物理层安全传输技术在最近得到了广泛的研究。在两跳网络中，固定的转发机制很容易窃听。例如：用户先进行源到中继的传输，然后进行中继到目的端的传输这种固定传输模式，窃听端很容易根据每一个时隙的传输状况移动其位置进行更好的窃听。此外，考虑到绿色通信的要求，能量收割技术可以极大的提高能量效率。针对以上问题，本专利技术提出了一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案。此方案中，根据两跳链路质量，设计了最优的链路选择方案。然后根据中继节点的数据队列状态及能量状态，提出了最优化问题。针对此优化问题，本专利技术提出了一个两阶段的求解算法并且求得了每个时隙最优的链路选择及功率分配方案。仿真结果表明，本专利技术所提方案可以提高用户的安全速率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方案，该方法能有效提高用户的安全速率及能量效率。本专利技术是通过以下技术方案来实现：在具有缓存的中继协作下，数据存储在数据队列，然后再进行传输，并且中继采用能量收割的方法收集能量进行传输，具体实施步骤如下：1)信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为 y r ( k ) = p s h s r ( k ) x s ( k ) + n r ( k ) ; ]]>其中，ps为发送端的发射功率，hsr为发送端到中继端的信道系数，|xs(k)|2＝1为发射端传输的信号，nr为接收到的噪声，数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端： y d ( k + t ) = p r ( k + t ) h r d ( k + t ) x r ( k + t ) + n d ( k + t ) ; ]]>其中，pr为中继端的发射功率，hrd为中继端到目的端的信道系数，|xr(k+t)|2＝1为中继端转发的信号，nd接收到的噪声，此时，窃听端也接收到信号： y e ( k + t ) = p r ( k + t ) h r e ( k + t ) x r ( k + t ) + n e ( k + t ) ; ]]>其中，hre为中继端到窃听端的信道系数，ne窃听端接收到的噪声；2)由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：其中gsr为发送端到中继端的信道功率增益，grd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益，根据链路选择方案，当Ik＝1，此时中继转发数据到目的端，当Ik＝0，源发送数据到中继端；3)根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量，中继端电池在k+1时隙的能量状态为：Br(k+1)＝Br(k)+Er(k)-pr(k)IkT其中Br(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，Br(k)为中继端电池在k时隙时的能量，Er(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度，由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到 Σ i = 1 k p r ( i ) I i ( p r ) ≤ 1 T Σ i = 1 k E r ( i ) , k = 1 , 2 , ... , N ]]>此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即 Σ i = 1 k + 1 E r ( i ) - T Σ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法，其特征在于，在具有缓存的中继协作下，数据存储在数据队列，然后再进行传输，并且中继采用能量收割的方法收集能量进行传输，具体实施步骤如下：1)信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为yr(k)=pshsr(k)xs(k)+nr(k);]]>其中，ps为发送端的发射功率，hsr为发送端到中继端的信道系数，|xs(k)|2＝1为发射端传输的信号，nr为接收到的噪声，数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端：yd(k+t)=pr(k+t)hrd(k+t)xr(k+t)+nd(k+t);]]>其中，pr为中继端的发射功率，hrd为中继端到目的端的信道系数，|xr(k+t)|2＝1为中继端转发的信号，nd接收到的噪声，此时，窃听端也接收到信号：ye(k+t)=pr(k+t)hre(k+t)xr(k+t)+ne(k+t);]]>其中，hre为中继端到窃听端的信道系数，ne窃听端接收到的噪声；2)由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：其中gsr为发送端到中继端的信道功率增益，grd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益，根据链路选择方案，当Ik＝1，此时中继转发数据到目的端，当Ik＝0，源发送数据到中继端；3)根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量，中继端电池在k+1时隙的能量状态为：Br(k+1)＝Br(k)+Er(k)‑pr(k)IkT其中Br(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，Br(k)为中继端电池在k时隙时的能量，Er(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度，由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到Σi=1kpr(i)Ii(pr)≤1TΣi=1kEr(i),k=1,2,...,N]]>此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即Σi=1k+1Er(i)-TΣi=1kpr(i)Ii(pr)≤Brmax,k=1,2,...,N]]>其中为中继的总能量；4)根据最优链路选择方案，前k个时隙内中继转发的数据不能多于其接收的数据，即Σi=1klog(1+pr(k)grd(k))Ik(pr)≤Σi=1klog(1+psgsr(k))(1-Ik(pr)),k=1,2,...,N.]]>此外，由于受到中继缓存容量的限制，每个时隙结束蛙，中继缓存内的数据不能大于缓存的最大容量，即Σi=1k+1log(1+psgsr(k))(1-Ik(pr))-Σi=1klog(1+pr(k)grd(k))Ik(pr)≤Qdmax,k=1,2,...,N.]]>5)根据最优链路选择方案，用户的安全速率为Rs=1NΣi=1Nlog(1+pr(k)grd(k)1+pr(k)σre2)+Ik(pr).]]>6)根据最优链路选择方案及中继端能量和数据缓存的状态，最大化网络中的安全容量，并在每个时隙最优的选择传输链路，分配中继端的功率，得到以下优化问题：P1:maxpr(k),IkRs]]>7)对于优化问题P1，采用两步迭代算法可以求得每个时隙最优的功率分配及信道选择：第一步，假设链路选择方案结定，最优的分配中继端传输功率：将P1中最后一个优化问题写为：1NΣi=1Nlog(1+pr(k)grd(k)1+pr(k)σre2)Ik(pr)≥Rs.]]>因而，此优化问题写为P2:maxpr(k)Rs]]>对于优化问题P2，采用凸优化算法进行最优求解；第二步，根据第一步得到的分配功率，最优的进行链路选择；重复步骤一和二，直到得到最优的功率分配及链路选择方案。...

【技术特征摘要】
1.一种两跳有缓存网络中基于能量收割的安全传输方法，其特征在于，在具有缓存的中继协作下，数据存储在数据队列，然后再进行传输，并且中继采用能量收割的方法收集能量进行传输，具体实施步骤如下：1)信息传输分为两个阶段，第一阶，在时隙k时，发送端传输数据，中继接收到的数据为 y r ( k ) = p s h s r ( k ) x s ( k ) + n r ( k ) ; ]]>其中，ps为发送端的发射功率，hsr为发送端到中继端的信道系数，|xs(k)|2＝1为发射端传输的信号，nr为接收到的噪声，数据首先存储在中继缓存中，经过t个时隙之后，中继端转发此数据到目的端： y d ( k + t ) = p r ( k + t ) h r d ( k + t ) x r ( k + t ) + n d ( k + t ) ; ]]>其中，pr为中继端的发射功率，hrd为中继端到目的端的信道系数，|xr(k+t)|2＝1为中继端转发的信号，nd接收到的噪声，此时，窃听端也接收到信号： y e ( k + t ) = p r ( k + t ) h r e ( k + t ) x r ( k + t ) + n e ( k + t ) ; ]]>其中，hre为中继端到窃听端的信道系数，ne窃听端接收到的噪声；2)由于中继端具有缓存，因此，根据发射端到中继端和中继端到目的端的信道功率增益，每个时隙，最优的链路选择方案为：其中gsr为发送端到中继端的信道功率增益，grd为中继端到目的端的信道功率增益，τ为系统设定的系数，为中继端到窃听端的平均信道增益，根据链路选择方案，当Ik＝1，此时中继转发数据到目的端，当Ik＝0，源发送数据到中继端；3)根据最优链路选择方案，当中继端传输时，中继端会消耗能量，中继端电池在k+1时隙的能量状态为：Br(k+1)＝Br(k)+Er(k)-pr(k)IkT其中Br(k+1)为中继端电池在k+1时隙时的能量，Br(k)为中继端电池在k时隙时的能量，Er(k)是中继端在k时隙收割的能量，T为时隙的长度，由于前k个时隙内消耗的能量不能高于其收割的能量，因此，可以得到 Σ i = 1 k p r ( i ) I i ( p r ) ≤ 1 T Σ i = 1 k E r ( i ) , k = 1 , 2 , ... , N ]]>此外，每个时隙中继发射完信号后剩余能量受到中继端电池总能量的约束，即每个时隙结束时，中继端电池的能量不能高于总能量，即 Σ i = 1 k + 1 E r ( i ) - T Σ i = 1 k p r ( i ) I i ( p r ) ≤ B r max , k = 1 , 2 , ... , N ]]>其中为中继的总能量；4)根据最优链路选择方案，前k个时隙内中继转发的数据不能多于其接收的数据，即 Σ i = 1 k log ( 1 + p r ( k ) g r d ( k ) ) I k ( p r ) ≤ Σ i = 1 k log ( 1 + p s g s r ( k ) ) ( 1 - I k ( p r ) ) , k = 1 , ...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，王大伟，王熠晨，杜清河，孙黎，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61