引入天線的無線通信射頻采集信道模型建立及其仿真分析

江龍才， 霍朝輝 ， 步冬靜

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司池州供電公司，安徽 池州 247100)

0 引 言

目前，大部分能量受限的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇電池作為供電方式，但因電池的容量有限，對系統(tǒng)的性能造成了明顯制約。針對以上問題，已有許多學(xué)者設(shè)計了多種節(jié)能運(yùn)行方法，尤其以射頻采集技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，具備多項優(yōu)異性能，也因此受到了許多學(xué)者的密切關(guān)注?，F(xiàn)階段，多種無線通信技術(shù)以射頻信號為數(shù)據(jù)傳輸載體，引入無線攜能通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)射頻信息采集以及無線數(shù)據(jù)傳輸功能，從而利用同一射頻信號同步傳輸能量與信息，再利用接收端處理完成信息解碼與能量采集的過程[1-3]。

從目前發(fā)展趨勢分析，綜合運(yùn)用無線攜能通信方法與協(xié)同中繼方法已成為一項重要的應(yīng)用技術(shù),對于優(yōu)化無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以及提高能量采集效率具有明顯作用。在此基礎(chǔ)上一些學(xué)者提出了不同的射頻采集中繼網(wǎng)絡(luò)模型并構(gòu)建了特定的傳輸協(xié)議[4-6]。但上述研究內(nèi)容都是對數(shù)據(jù)傳輸與能量采集過程進(jìn)行優(yōu)化分析，并未對無線通信系統(tǒng)的安全性進(jìn)行研究。考慮到無線傳輸媒介具有開放性的特點(diǎn)，引入射頻采集中繼網(wǎng)絡(luò)后除了能夠優(yōu)化頻譜與能量效率以外，還會造成較大安全威脅。對于提高信息安全性方面，除了可以采用傳統(tǒng)形式的提高數(shù)據(jù)復(fù)雜度的加解密方式以外，也有研究人員在射頻網(wǎng)絡(luò)中引入物理層安全技術(shù)[7-9]，包括預(yù)編碼和人工干擾等多種信息處理技術(shù)，確保系統(tǒng)達(dá)到更高的物理層安全等級[10]。不過上述內(nèi)容并未考慮射頻采集中繼網(wǎng)絡(luò)需要克服的非可信中繼節(jié)點(diǎn)安全傳輸性能。

本文重點(diǎn)研究了時間切換傳輸協(xié)議條件下的物理層安全傳輸技術(shù)，通過源節(jié)點(diǎn)引入發(fā)送天線選擇方案來提高能量受限中繼節(jié)點(diǎn)收集能量的效率，再以人為干擾的方式避免信息受到非可信中繼竊聽的情況。

1 系統(tǒng)和信道模型

運(yùn)用傳統(tǒng)形式的三節(jié)點(diǎn)中繼網(wǎng)絡(luò)模型，為源節(jié)點(diǎn)S安裝了N根天線，同時在中繼節(jié)點(diǎn)R以及目的節(jié)點(diǎn)D上安裝單天線?，F(xiàn)假定S與D存在深衰落或因為受到障礙物遮擋而不能完成通信，R通過放大轉(zhuǎn)發(fā)的方法使保密信息由S傳輸至D[11-12]。R為具有受限能量的節(jié)點(diǎn)，但可以完成射頻采集，能夠把射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰縼韺?shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)。將R作為一個非可信節(jié)點(diǎn)，通信階段會竊取由源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的保密數(shù)據(jù)，本文針對這一問題開展了安全傳輸方面的研究。

現(xiàn)假定S第i根天線與R、R與D通信鏈路都發(fā)生了準(zhǔn)靜態(tài)瑞利塊衰落，同時在時間T中保持恒定的無線鏈路。對T階段中的信道參數(shù)進(jìn)行建模得到獨(dú)立的復(fù)高斯隨機(jī)變量hSiR與hRD，二個信道增益都具有指數(shù)分布形式，其均值分別為γSiR與γRD。假定各通信鏈路都接收到均值為0以及方差為N0的高斯噪聲干擾，各個節(jié)點(diǎn)都保持半雙工的運(yùn)行狀態(tài)。這是由于中繼節(jié)點(diǎn)都處于受限能量狀態(tài)并且具有自私性，在保持自身能量的條件下幫助源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)通信過程。

本文選擇下述時間切換能量采集以及信息傳輸方案：把時長為T的傳輸過程表示成3個子時隙，在第一個αT子時隙段內(nèi)，S通過發(fā)送天線選擇的模式獲得最優(yōu)發(fā)射天線，再通過D將射頻信號傳輸至R作為采集能量，α的取值介于0～1之間，表示采集能量與傳輸信息的時間切換因子。對剩余(1-α)T時間進(jìn)行等分處理，進(jìn)入(1-α)T/2時長的第二個子時隙階段時，S通過最優(yōu)發(fā)送天線將信息傳輸至R，此外，為提高系統(tǒng)物理層的數(shù)據(jù)安全性，D將人工干擾信息傳輸至R，避免非可信中繼R對信息進(jìn)行竊聽。處于(1-α)T/2時段的第三個子時隙內(nèi)，R通過采集能量實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)到D的過程。

為準(zhǔn)確分析D發(fā)送人工干擾時引起的物理層安全性變化，規(guī)定系統(tǒng)傳輸功率總和是P，S發(fā)射功率為β，D發(fā)射功率為(1-β)P，0<β<1表示S與D進(jìn)行功率分配的系數(shù)。通過發(fā)送天線選擇方案，選出最佳發(fā)射天線進(jìn)行能量傳輸，對應(yīng)的天線序號如下:

(1)

第一個子時隙內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量采集的表達(dá)式如下：

(2)

對式(2)分析可知，為源節(jié)點(diǎn)設(shè)置最佳發(fā)射天線傳輸能量能夠充分發(fā)揮多天線分集增益效果，使中繼節(jié)點(diǎn)獲得更高的能量采集效率。

進(jìn)入第二時隙時，S先選擇速率恒定的Wyner安全編碼模式實(shí)現(xiàn)保密信息的安全編碼，此編碼方案由二個速率參數(shù)構(gòu)成，分別為碼元傳輸速率R0以及安全信息速率RS，通過Re=RO-RS計算得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)信息保護(hù)的作用。S對編碼信息完成符號映射處理再通過最優(yōu)發(fā)射天線i進(jìn)行信號傳輸。此外，為確保系統(tǒng)物理層具備更高安全性，D將干擾信息傳輸至R，把中繼節(jié)點(diǎn)獲得的信號表示成以下形式

yR=hS1Rxs+hRDz+nE

(3)

式中：xs為源節(jié)點(diǎn)對中繼傳輸功率為β的信號；z為目的節(jié)點(diǎn)將功率為(1-β)P人工干擾信號傳輸?shù)街欣^發(fā)送節(jié)點(diǎn)；nR為高斯白噪聲。假定所有信道都具備互異性，滿足hRD=hDR。

對于第三個子時隙，得到中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)功率如下:

(4)

式中：η為能量轉(zhuǎn)換效率因子。為R構(gòu)建變增益放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，經(jīng)過信號放大后的轉(zhuǎn)發(fā)因子是1/(βP)，因此將D接收信號yR表示成：

(5)

式中：nD為目的節(jié)點(diǎn)D形成的加性高斯白噪聲。假定在D處通過自干擾消除方法去除所有人工干擾項。

2 仿真分析

利用蒙特卡洛仿真方法測試了理論研究準(zhǔn)確性，并對物理層的傳輸安全性能進(jìn)行了分析。通過測試發(fā)現(xiàn)，采用蒙特卡洛方法得到的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，說明結(jié)果是正確的。

從圖1、圖2中可以看到，在不同的時間因子α與功率因子β條件下得到中斷概率，總共測試了源節(jié)點(diǎn)發(fā)送天線數(shù)依次為2、4、6三種條件，根據(jù)圖1參數(shù)設(shè)定功率因子0.5，再將時間因子設(shè)定在0.5。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時間因子增大后，會引起連接中斷概率的降低現(xiàn)象，此時中繼節(jié)點(diǎn)能夠采集得到更多能量，表現(xiàn)為中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率提高后，系統(tǒng)獲得了更高的可靠性。中斷概率隨天線數(shù)的增大而降低，這是因為處于能量采集子時隙階段，隨著天線數(shù)的增大可以使發(fā)送天線選擇傳輸?shù)玫礁叻旨鲆?。一方面能夠提高中繼節(jié)點(diǎn)能量、提升中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率，另一方面則可以改善源數(shù)據(jù)傳輸至中繼信息時滿足更高的可靠性。

圖1 不同的時間因子下連接中斷概率

由圖2可知：當(dāng)β增大后，中斷概率出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象，這是因為隨著β的提高，可以有更多功率被應(yīng)用于保密信息的傳輸過程中，從而達(dá)到更穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)。當(dāng)把功率因子設(shè)定在同樣的參數(shù)下時，隨著天線數(shù)的增大，分集增益也會隨之提高，表現(xiàn)出更優(yōu)的連接中斷概率。此外，提高功率因子后，中斷概率增大，這是因為提高功率因子后會降低人工干擾功率，導(dǎo)致系統(tǒng)整體安全性下降。

圖2 不同功率因子下中斷概率

從圖3、圖4中可以看到，在不同時間因子與功率因子下得到安全吞吐量曲線，將仿真階段的源節(jié)點(diǎn)天線數(shù)設(shè)定在4。當(dāng)時間因子增大后，安全吞吐量也明顯提高，之后逐漸降低，因此具備一個最佳時間因子以達(dá)到最大的安全吞吐量。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是，在較低時間因子條件下，中繼節(jié)點(diǎn)無法獲得足夠時間進(jìn)行射頻信號能量采集，此時能量還不能夠建立穩(wěn)定的安全通信鏈路；隨著時間因子的增大，系統(tǒng)會出現(xiàn)有效通信時間(1-α)T/2降低的現(xiàn)象，從而減小了安全吞吐量。

圖3 不同時間因子下安全吞吐量曲線

由圖4可知：當(dāng)β提高后，安全吞吐量明顯增大，之后逐漸降低，因此有一個特定的功率因子達(dá)到最大的安全吞吐量。這是由于在較低功率因子下，源節(jié)點(diǎn)只能產(chǎn)生很低發(fā)射功率，形成很小的安全吞吐量；提高功率因子后，會降低目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，對傳輸人工干擾信息造成較大影響。從而提高了切取私密信息的概率，減小了整體安全性，因此系統(tǒng)只能獲得較低安全吞吐量。

圖4 不同功率因子下安全吞吐量曲線

3 結(jié)束語

本文針對源節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送天線選擇策略提高能量受限中繼節(jié)點(diǎn)對能量進(jìn)行采集的效率，同時以人工干擾的方式來防范非可信中繼切取信息的過程，顯著提高物理層的安全性。采用計算理論模擬的方法分析了系統(tǒng)運(yùn)行性能和時間因子以及功率因子之間的關(guān)系，可以通過合理調(diào)整時間因子與功率因子來達(dá)到最大的安全吞吐量。