[发明专利]一种基于物理层安全的无线能量采集系统中继选择方法

权利要求书

1.一种基于物理层安全的能量采集系统通信方法，包括以下过程：能量采集过程，广播过程和信息传输过程。能量采集过程有两个协议，功率分配协议和时间切换协议，所述方法采用了功率分配协议。广播过程是源节点S以广播的形式向周围发送信息,所有的中继节点R_k和窃听者E都能够接收到源节点的信号；信息传输过程是中继节点将接收到的来自源节点的信息以译码转发的方式发送到目的节点D，同时，窃听者E也会窃听中继节点R_k发送的信息。

所述方法提出一种基于最大端到端系统保密容量的中继选择方案，测量各节点间的状态信息，计算源节点到中继节点、中继节点到目的节点的信道容量；计算窃听信道容量最大值和最小值；计算系统保密容量并分析系统保密容量与信道系数和能量采集系数的关系；在能量采集系数为一个合适的值时，通过最大端到端保密容量，得到最优中继选择方案；

所述方法的广播过程中，在第k个中继R_k接收到的信号分别表示为：

式中，x_S是源节点S发射的信号，P是源节点S发射功率，是源节点S到第k个中继R_k信道的系数，是第k个中继R_k发射功率，是第k个中继R_k到第k个中继R_k信道的自干扰系数，是源节点S到第k个中继R_k信道的高斯白噪声，均值为零，方差为N₀。

所述方法的能量采集过程中，第k个中继R_k采集到的能量可以表示为其中，η是能量转换效率的系数，η∈(0,1)，β是功率分配协议的系数，β∈(0,1)，T是通信过程的总时间。

第k个中继R_k收集到的能量根据能量采集分配参数ω分为两个部分，一部分发送信息，另一部分作为解码消耗。第k个中继R_k发送信息的发射功率为

所述方法的信息传输过程中，目的节点D接收到的信号表示为：

式中，第k个中继R_k到目的节点D信道系数，n_D是第k个中继R_k到目的节点D信道的高斯白噪声，均值为零，方差为N₀。

2.根据权利要求1所述一种基于物理层安全的能量采集系统中继选择方法，其特征在于，所述方法的窃听者窃听信息时，窃听者E接收到的信号表示为：

式中，h_SE是源节点S到窃听者E信道系数，是第k个中继R_k到窃听者E信道系数，n_E是窃听者E信道的高斯白噪声，均值为零，方差为N₀。

假设每块有B个数据包，对于一个块中的所有B个数据，在窃听者处堆叠接收信号，式(5)可以以矩阵/矢量形式表示为：

y_E＝Hx_S+n_E (4)

式中，y_E＝(y_E[B+1],…,y_E[1])^T，x_S＝(x_S[B],…,x_S[1])^T，n_E＝(n_E[B+1],…,n_E[1])^T,其中(·)^T是转置。

3.根据权利要求1所述一种物理层安全的能量采集系统中继选择方法，所述中继选择方案中，在广播过程时，源节点S到第k个中继R_k的信道容量为：

所述中继选择方案中，在信息传输过程时，第k个中继R_k到目的节点D的信道容量为：

所述中继选择方案中，在窃听信息过程时，窃听信道的容量为：

式中，当N₀＝1时，的最小值为零，的最大值可以近似为1/4ln2。

所述中继选择方案中，系统保密容量为主信道容量减去窃听信道容量，具体可以表示为

4.根据权利要求3所述一种基于最大端到端系统保密容量的优化中继选择方案，在功率分配协议系数β∈(0,1)时，选出最优中继，使系统保密容量最大。根据以下原则选出最优中继k^*为：

k^*＝arg max C (9)