本发明涉及一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，通信系统包括源节点，合法接收节点，窃听接收节点和能量站；能量站配置有N根天线，源节点配置有M根天线，合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线；能量站和源节点构成无线能量传输子系统；源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统；能量站设计波束赋形器w。本发明还涉及利用能量站提升物理层安全性能的方法。能量站不仅能够作为终端为源节点提供能量，同时也能够作为一个干扰源，通过发射无线干扰信号，使得无线干扰信号对窃听接收节点产生较大干扰，大幅提升系统的物理层安全性能。
1.一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的通信系统包括源节点，合法接收节点，窃听接收节点和能量站；所述的能量站配置有N根天线，源节点配置有M根天线，合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线；所述的能量站和源节点构成无线能量传输子系统；所述的源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；所述的能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统；所述的能量站基于对无线干扰信号传输子系统中的两个干扰信道的信道状态信息获取程度，能量站设计相应的波束赋形器w；
1)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
2)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点和窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w1，使用迫零技术消除无线干扰信号对合法接收节点的影响，同时最大化对窃听接收节点的无线干扰信号；否则转入步骤3)；
3)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点的信道状态信息，但无法估计能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w2，使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号；否则转入步骤4)；
4)如果能量站能够估计出部分能量站与合法接收节点之间的信道状态信息，但无法获得能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息；
则能量站设计波束赋形器w3，合法接收节点将与实际干扰信道正交性最强的码书向量反馈给能量站，能量站直接用此向量作为波束赋形器w3；
或者，能量站设计波束赋形器w4，合法接收节点将与实际干扰信道最匹配的码书向量反馈给能量站，能量站将该最匹配的码书向量视为其与合法接收节点之间的最佳信道状态信息估计，并使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号。
2.根据权利要求1所述的利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的通信系统在一个时隙T中按照时间分配因子θ分别进行能量传输和信息传输，其中0＜θ＜1；在前θT时间内，能量站向源节点传输无线能量；在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站向合法接收节点和窃听接收节点发射无线干扰信号。
3.根据权利要求1所述的利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的步骤2)中波束赋形器w1其目标函数与约束条件分别表示为：||w1||＝1
其中，w1表示波束赋形器，hJD和hJE分别表示能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息，T表示转置运算符号；
其中，'表示共轭运算符号， 表示hJD列空间的正交补，IN表示
4.根据权利要求1所述的利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的步骤3)中波束赋形器w2为 奇异值分解的N-1个左奇异向量中的任意一个，其中N为能量站的天线数目。
5.根据权利要求1所述的利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的步骤4)中波束赋形器w3为：其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量，表示码书向量，C表示码书集合， 表示正交性最强的码书向量。
6.根据权利要求1所述的利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，其特征在于，所述的步骤4)中波束赋形器w4为：其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量，表示码书向量，C表示码书集合， 表示最匹配的码书向量。
7.基于权利要求1～6任一所述的通信系统来利用能量站提升物理层安全性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)能量站在前θT时间内向源节点传输无线能量；
(2)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
(3)能量站基于两个干扰信道的信道状态信息获取程度设计相应的波束赋形器w；
(4)在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站采用波束赋形器w向合法接收节点和窃听接收节点传输无线干扰信号。
一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及通信领域，具体涉及一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统和方法。
背景技术
[0002] 随着无线通信技术的飞速发展，各种无线通信设备急剧增加，随之而来的无线通信安全性问题也日趋严重。传统的无线通信安全机制主要是以密码学为基础的相关加密技术，但随着计算机运算能力的迅速提升，这项技术的保密基础变得不再牢靠，物理层安全技术应运而生。
[0003] 无线通信物理层安全技术从信息论的角度出发，利用物理信道的唯一性和互易性，来实现信息加密，辨识合法用户等，旨在实现无条件安全。中国发明专利公开号(CN103986545A)公开了一种用于SIMO无线通信系统的物理层安全传输方法，首先期望接收方反向发射随机参考信号，然后发射方使用接收到的参考信号对待传输符号进行置乱后发射，最后期望接收方利用已知参考信号对接收信号进行解调以获得发射方传输的信息。值得指出的是，该发明专利仅公开了发射方能够完美接收到期望接收方反向随机参考信号的情况，没有考虑有限信道状态信息反馈的场景。
[0004] 另一方面，随着新兴无线业务的不断涌现，移动通信设备的续航时间逐渐成为影响用户体验的关键因素。在无线能量传输技术不断成熟的背景下，研究人员提出了在通信网络中安置固定的供电站，利用无线能量传输技术为网络中的移动设备提供能量。当前，尽管引入供电站的新型无线通信网络架构已引起国际上的广泛关注，但相关研究工作尚处在起步阶段，对供电站的应用仅仅局限于为移动设备提供能量，尚未充分发掘供电站的潜能。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统和方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：
[0007] 一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，所述的通信系统包括源节点，合法接收节点，窃听接收节点和能量站；所述的能量站配置有N根天线，源节点配置有M根天线，合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线；所述的能量站和源节点构成无线能量传输子系统；所述的源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；所述的能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统；所述的能量站设计有波束赋形器w。
[0008] 上述技术方案中能量站不仅能够作为终端为源节点提供能量，同时也能够作为一个干扰源，通过发射无线干扰信号，使得无线干扰信号对窃听接收节点产生干扰。能量站设计波束赋形器w，其目的是使得无线干扰信号最大化窃听接收节点的干扰能量同时最小化合法接收节点的干扰能量，从而提升整个通信系统的物理层安全性能。
[0009] 作为改进，所述的能量站基于对无线干扰信号传输子系统中的两个干扰信道的信道状态信息获取程度，能量站设计相应的波束赋形器w。
[0010] 所述的通信系统在一个时隙T中按照时间分配因子θ分别进行能量传输和信息传输，其中0＜θ＜1；在前θT时间内，能量站向源节点传输无线能量；在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站向合法接收节点和窃听接收节点发射无线干扰信号。
[0011] 作为改进，所述的能量站设计相应的波束赋形器w包括如下步骤：
[0012] 1)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
[0013] 2)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点和窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w1，使用迫零技术消除无线干扰信号对合法接收节点的影响，同时最大化对窃听接收节点的无线干扰信号；否则转入步骤3)；
[0014] 3)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点的信道状态信息，但无法估计能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w2，使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号；否则转入步骤4)；
[0015] 4)如果能量站能够估计出部分能量站与合法接收节点之间的信道状态信息，但无法获得能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息；
[0016] 则能量站设计波束赋形器w3，合法接收节点将与实际干扰信道正交性最强的码书向量反馈给能量站，能量站直接用此向量作为波束赋形器w3；
[0017] 或者，能量站设计波束赋形器w4，合法接收节点将与实际干扰信道最匹配的码书向量反馈给能量站，能量站将该最匹配的码书向量视为其与合法接收节点之间的最佳信道状态信息估计，并使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号。
[0018] 所述的步骤2)中波束赋形器w1其目标函数与约束条件可分别表示为：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，w1表示波束赋形器，hJD和hJE分别表示能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息，T表示转置运算符号；
[0022] 所得到的波束赋形器w1为：
[0023]
[0024] 其中，'表示共轭运算符号， 表示hJD列空间的正交补，IN表示N阶单位矩阵。
[0025] 所述的步骤3)中波束赋形器w2为 奇异值分解的N-1个左奇异向量中的任意一个，其中N为能量站的天线数目。
[0026] 所述的步骤4)中波束赋形器w3为：
[0027]
[0028] 其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量， 表示码书向量，C表示码书集合， 表示正交性最强的码书向量。
[0029] 所述的步骤4)中波束赋形器w4为：
[0030]
[0031] 其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量， 表示码书向量，C表示码书集合， 表示最匹配的码书向量。
[0032] 本发明还提供一种基于上述的通信系统来利用能量站提升物理层安全性能的方法，包括如下步骤：
[0033] (1)能量站在前θT时间内向源节点传输无线能量；
[0034] (2)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
[0035] (3)能量站基于两个干扰信道的信道状态信息获取程度设计相应的波束赋形器w；
[0036] (4)在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站采用波束赋形器w向合法接收节点和窃听接收节点传输无线干扰信号。
[0037] 同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0038] (1)本发明考虑了一种利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，在原有的窃听信道经典模型中引入了无线能量传输技术，通过能量站向系统中的设备终端提供能量，建立了一种应用范围更广、更为实际的模型，避免了传统模型只能够适用于小功耗无线设备终端的约束，有效提升了设备终端的续航能力。
[0039] (2)本发明考虑了能量站在为终端提供能量的同时，也可以作为一个干扰源发射干扰信号。基于对两个干扰信道的信道状态信息获取程度，能量站调整并得到所对应的最佳波束赋形器w。通过设计，使得干扰信号在对窃听接收节点产生较大干扰的同时对合法接收节点产生较小影响，从而大幅提升整个通信系统的保密安全性能。
附图说明
[0040] 图1为本发明的通信系统的示意图；
[0041] 图2为本发明利用能量站提升物理层安全性能的流程图；
[0042] 图3为本发明能量站设计相应的波束赋形器w的流程图；
[0043] 图4是本发明在四种不同的波束赋形器下，优化后的保密中断概率性能随主信道平均信噪比变化的关系曲线图。
具体实施方式
[0044] 下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明。
[0045] 如图1所示，利用能量站提升物理层安全性能的通信系统，所述的通信系统包括源节点，合法接收节点，窃听接收节点和能量站；所述的能量站配置有N根天线，源节点配置有M根天线，合法接收节点和窃听接收节点配置单根天线；所述的能量站和源节点构成无线能量传输子系统；所述的源节点、合法接收节点和窃听接收节点构成无线信号传输子系统；所述的能量站、合法接收节点和窃听接收节点构成无线干扰信号传输子系统；所述的能量站设计波束赋形器w。
[0046] 所述的能量站基于对无线干扰信号传输子系统中的两个干扰信道的信道状态信息获取程度，能量站设计相应的波束赋形器w。
[0047] 所述的通信系统在一个时隙T中按照时间分配因子θ分别进行能量传输和信息传输，其中0＜θ＜1；在前θT时间内，能量站向源节点传输无线能量；在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站向合法接收节点和窃听接收节点发射无线干扰信号。
[0048] 如图2所示，利用能量站提升物理层安全性能的方法，包括如下步骤：
[0049] (1)能量站在前θT时间内向源节点传输无线能量；
[0050] (2)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
[0051] (3)能量站基于两个干扰信道的信道状态信息获取程度设计相应的波束赋形器w；
[0052] (4)在后(1-θ)T时间内，源节点向合法接收节点传输无线信号，窃听接收节点对所述的无线信号进行窃听，同时能量站采用波束赋形器w向合法接收节点和窃听接收节点传输无线干扰信号。
[0053] 如图3所示，所述的能量站设计相应的波束赋形器w包括如下步骤：
[0054] 1)能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，估计两个干扰信道的信道状态信息；
[0055] 2)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点和窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w1，使用迫零技术消除无线干扰信号对合法接收节点的影响，同时最大化对窃听接收节点的无线干扰信号，其目标函数与约束条件可分别表示为：
[0056]
[0057]
[0058] 其中，w1表示波束赋形器，hJD和hJE分别表示能量站与合法接收节点以及能量站与窃听接收节点的信道状态信息，T表示转置运算符号；
[0059] 所得到的波束赋形器w1为：
[0060]
[0061] 其中，'表示共轭运算符号， 表示hJD列空间的正交补，IN表示N阶单位矩阵。
[0062] 否则转入步骤3)；
[0063] 3)如果能量站能够估计出能量站与相应的合法接收节点的信道状态信息，但无法估计能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息，则能量站设计波束赋形器w2，使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号，所述的波束赋形器w2为奇异值分解的N-1个左奇异向量中的任意一个，其中N为能量站的天线数目；
[0064] 否则转入步骤4)；
[0065] 4)如果能量站能够估计出部分能量站与合法接收节点之间的信道状态信息，但无法获得能量站与窃听接收节点之间的信道状态信息；
[0066] 则能量站设计波束赋形器w3，合法接收节点将与实际干扰信道正交性最强的码书向量反馈给能量站，能量站直接用此向量作为波束赋形器w3，所述的波束赋形器w3为：
[0067]
[0068] 其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量， 表示码书向量，C表示码书集合， 表示正交性最强的码书向量。
[0069] 或者，能量站设计波束赋形器w4，合法接收节点将与实际干扰信道最匹配的码书向量反馈给能量站，能量站将该最匹配的码书向量视为其与合法接收节点之间的最佳信道状态信息估计，并使用迫零技术消除对合法接收节点的无线干扰信号，所述的波束赋形器w4为：
[0070]
[0071] 其中， 表示能量站与合法接收节点间信道响应的方向向量，表示码书向量，C表示码书集合， 表示最匹配的码书向量。
[0072] 具体的实施例：该系统中包含一个源节点，一个合法接收节点，一个窃听接收节点和一个可以发射干扰的能量站，源节点的能量利用效率为80％，时间分配因子为0.5，能量站的多天线数目为4，源节点的多天线数目为2。
[0073] 为证明系统的性能变化，本实施例采用保密中断概率性能参数进行分析。图4为本实施例中在四种不同波束赋形器下，保密中断概率性能随主信道平均信噪比变化的关系曲线图。从图中可以看出，随着主信道平均信噪比的增加，系统的中断概率不断减小，即系统的性能不断提升。通过对比发现，波束赋形器w1的性能要远远优于其他三种波束赋形器，这是因为在波束赋形器w1中能量站通过侦听合法接收节点和窃听接收节点的导频，能估计出两个信道的信道响应，从而充分利用了多天线的益处。而波束赋形器w2在完全消除干扰对合法接收节点的影响后，性能次优。最后两种波束赋形器的对比中，波束赋形器w3的性能优于波束赋形器w4，这是因为波束赋形器w3直接选取了对合法接收节点干扰最小的波束赋形器w3，而波束赋形器w4虽然使用了迫零技术，但所反馈的码书向量与实际信道还是有一定的误差。
[0074] 以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
