文摘

我们建议jam-then-harvest协议dual-hop合作网络不可信的继电器,在外部友好干扰机有助于保持秘密的信息不可信传输先验干扰信号继电器的目的地。特别是,无线供电干扰机从收到转发信号进行能量和恢复其初始能量在下次槽进行干扰。我们分析推导出非零的概率的精确表达保密率(PNSR)提出jam-then-harvest协议。性能比较,合作与恒定的电源干扰作为一个下界提供基准。我们的结果表明,该协议不仅能实现安全通信,还可以收获足够的能量而不损失性能在低干扰功率地区。

1。介绍

蜂窝移动网络和互联网的广泛部署以及各种无线网络的产生和发展,无线通信已经成为不可或缺的一部分在我们的日常生活中,无处不在的访问和不同的服务需求。然而,由于无线信道的开放性和共享性质,信息的安全传输是无线网络的一个关键问题。传统上,保密是保证主要依赖于加密技术和协议在无线网络的上层(1]。这些现有技术的一个主要缺点是他们严重依赖于一个复杂的数学计算密钥的生成和分发和管理,这是不切实际的无线网络由于资源约束和缺乏基础设施的支持。最近的物理层安全已成为一个有吸引力的解决方案,提高低功耗单天线无线系统的秘密(2,3]。此外,节点合作也有利于提高频谱效率和功率利用率。

最常见的一种合作方案在物理层安全合作干扰(CJ)(见[4- - - - - -6),引用其中),外部友好干扰器是用来协同传输干扰信号发射源时,以降低窃听渠道大大提高保密率。然而,额外的能源消耗将干扰信号的助手带来以下两大挑战。首先,低功率电池供应有限的干扰器可能会更喜欢节能为自己的沟通帮助他人;因此,CJ很妥协的好处。第二,用户之间的能量不平衡会导致创造能量的黑洞,甚至缩短网络的生命周期。

最近,射频(RF)启用无线能量收获(WEH)吸引了高涨的兴趣由于其巨大的潜力提供电源在能源成本效益和可靠的方式无线节点和网络(7,8]。事实上,WEH可能提供新的机会来补充额外的能源需求干扰器来克服上面的关键挑战。在[9,10),无线供电干扰机是用来使源和目的地之间的安全直接通信在窃听者的存在,但不添加额外的电力成本。继电器系统,一个multiantenna harvest-and-jam协议提出了干扰器是由源两跳网络安全(11]。而在(12),通过使用一组单天线WEH-enabled自我维持房颤继电器/干扰器,提出了一种混合合作beamforming-CJ方法来提高安全性。在[13),最好的无线驱动继电器与随机干扰机干扰机/中继选择方案是两跳中继网络调查。而在(14),功率分配优化再生的保密和利率最大化双向中继网络通过使用人工噪声和WEH-enabled干扰器。在这些模型中,继电器被认为是可信的;然而,从稳健的角度来看,继电器可能是一个潜在的偷听者。例如,所有用户的实际应用在国防和金融网络同样没有权利访问信息(15]。恒定的电源,在16,17)、安全传输方案提出了阻碍破译源消息的不可信的继电器。通过使用能量收获,在18),两跳网络的保密性能通过WEH-enabled调查不可信的继电器,destination-assisted干扰信号有助于迷惑不可信的继电器以及作为一个潜在的能源来源。我们最好的知识,对于不可信的中继系统,如何启用两跳安全通信使用WEH-enabled干扰机在文献中尚未解决。

出于收获的好处WEH和紧迫的要求在不可信的安全通信中继网络,在本文中,我们专注于无线供电jammer-assisted安全dual-hop合作交流。我们的主要贡献可以概括如下:(我)我们提出一个新设计的jam-then-harvest (JH)协议,使安全通信dual-hop合作网络不可信的继电器。(2)我们从理论上讨论拟议的JH的保密性能,然后得到一个精确的解析表达式的非零概率保密率(PNSR)。(3)传统的合作与恒定的电源干扰(CJ)计划提供一个下界的基准。我们表明,该JH可以实现类似的保密性能的CJ低初始干扰能力。

2。系统模型和安全协议

如图1,我们认为合作dual-hop中继系统的年代试图转移信息来源到目的地D坐落的通信范围内通过一个不可信的继电器从R R .帮助信息保密,一个友好的干扰机采用J果酱不可信传递;然而,J是一个能源贫瘠的节点只与初始力量但是没有常规能源供应。一个简单的射频电路获取能源装备J从外部射频信号获取能量。收获能量被认为能够充电干扰机与无限容量的电池。所有节点只有一个全向天线工作在半双工模式。节点之间的复杂的信道系数我( )和j( , )用 ,建模为零均值,独立,圆对称复高斯随机变量方差 ,在哪里米(m)之间的欧几里得距离节点我和j和φ路径损耗指数。此外,噪声在所有节点被认为是加性高斯白与零均值和方差 。

直接联系年代以来和D不可用,jam-then-harvest协议采用基于两个时段长度相等,如图2。不失一般性,每个传输时间段规范化为1,这样在每个时间段的能量数值是相同的。jam-then-harvest协议包括两个部分:(1)传输和干扰阶段:在第一次槽,年代广播信号信息不可信的继电器R,虽然J同时发出一个单位功率的干扰信号z创建在R干涉;(2)继电器和能量采集阶段:之后,在第二时间段放大接收到的混合信号S和J, R远期产生的信号与传输功率D p .与此同时,J从发送的信号能够收获能量R来存储和恢复初始能量 。

在第一阶段,防止信息被窃听不可信的R,友好的干扰机J执行干扰而年代传输单位功率信号 ,所以收到叠加信号在R可以表示如下: 在哪里表示和传输能量代表了窄带高斯噪声在R .然后在第二阶段,基于amplify-and-forward R混合信号广播协议D,因此D和J可以接收信号,分别写成 在哪里给出了功率归一化因子 。signal-to-interference-plus-noise比(SINR) D和R解码因此,分别由吗 在哪里和 。请注意,我们假设干扰信号z是先验已知D,它只会伤害不可信的继电器的听但不造成任何伤害的目的地;因此,干扰信号被完全取消 。在D完全消除干扰信号,这些信号应该自信地干扰前J和D之间共享。这几乎可以实现为在19]。首先,与有限的国家相同的伪随机生成器和种子表预先存储在J和D(但不是可用在R)。接下来,每个传输阶段之前,一个种子是随机选择从这粒种子的种子表和索引是J和D之间共享特别是种子指数可以共享使用两步相移modulation-based方法(19]。因此,(3),可实现的速度目的地D和R在比特/秒/赫兹(bps / Hz),分别给出的

从(3)和(4),我们都可以看到和越来越多的功能γ但递减函数 。然而,如果增加(减少)低于作为( )增加,之间的区别和可能会增加。

另一方面,从(2),收获能量在干扰机可以计算J 在哪里表示能源采集干扰机的效率。同样,它可以观察到(5),收获能量也会增加,或 。

3所示。保密性能

友好的外部干扰器有助于防止机密信息泄漏的来源不可信的继电器,实现安全通信;因此,实现严格的非零的概率保密率是一个重要的性能指标来评估系统的保密性能。在本节中,我们分析提出的PNSR jam-then-harvest计划(表示“JH”)。此外,性能比较,保密传统合作干扰的性能依赖于恒定的电源(表示“CJ”)是作为一个下界提供基准。

3.1。JH方案

拟定jam-then-harvest方案,回收能量的总量必须满足的最低要求,即, 。如果收获能量E小于给定阈值 ,权力受到干扰机是不够下次传输中的干扰信号槽,从而发生停电。与此同时,它可以很容易地获得(3),当 , 大于概率为1,这意味着一个保密故障发生概率1当停电发生时。如果权力受到友好的干扰机J不小于给定的初始阈值 ,安全故障时可实现率不超过 。因此,整个PNSR实现可以制定如下: 在哪里表示的概率。

替换从(3),E从(5)和简化后,(6)可以写成 在哪里根大于方程的和 。注意,当 , ,所以相应的 。当 , 和 ,所以相应的 。 ,和都是指数分布的随机变量与的意思吗 。进一步,我们可以表达在(7)分析命题1中给出。

命题1。的实现PSNR jam-then-harvest方案给出的 与

证明。见附件一个。

3.2。基准CJ方案

相比之下,传统合作干扰方案没有使用无线供电技术,友好的干扰机有一个恒定的电源。秘密宕机事件发生时,才可以实现的不超过 ;因此,PNSR可以表示为

命题2。一个解析表达式实现PNSR可以由“CJ”计划 与 在哪里 修改第二类贝塞尔函数的顺序n中定义的(20.]。

证明。见附件B。

4所示。数值结果

在本节中,提出“JH”计划的PNSR由(8)是相对于传统的“CJ”计划(11)。仿真参数设置如下:噪声方差 ;平均信号功率衰减在一个参考距离是80分贝;路径损耗因子 ;S、R和D是躺在一个直线和S和D之间的距离, 。此外,我们假设从J R是1米的距离。

首先,我们设置的位置R的线段的中点S d图3演示了PNSR的分析结果和不同的传输能量P和初始干扰能力 。可以看出,提出的“JH”计划达到类似“CJ”计划的保密性能较低的初始干扰能力地区。然而,在高地区,PNSR仍然几乎不变“CJ”而增加“JH”类似于停电概率(流行)。这是因为随着增加,PNSR“JH”由停电。越高设置,很难补充最初的权力。此外,观察到PNSR减少传输能量P增加两个方案。图4进一步表明,分析结果与仿真结果基本一致或 。也可以观察到该JH方案可以实现安全通信而不损失性能在低干扰功率地区。

接下来,R的坐标设置为从来 。图5情节PNSR与距离( )S和R之间可以看出方案减少随着R的PNSR接近D .这是因为R D,越接近实现率越小在R,率在D将会增加。值得注意的是,作为“JH,”预期PNSR不小于电源中断概率。

5。结论

本文的保密性能合作dual-hop网络通过一个不可信的继电器。具体地说,我们首先提出一个合作dual-hop jam-then-harvest协议中继系统外部的帮助下友好WEH-enabled干扰机。然后,我们推导出非零的概率的显式表达式保密率(PNSR)。数值结果表明,精确的表达式PNSR匹配与仿真结果。也可以观察到从低初始干扰功率的数值结果,该协议能够实现安全通信,但也补充初始干扰能量没有性能损失。

附录

答:命题1的证明

我们开始与概率如下:

现在,我们有

同样,我们也可以获得概率在(7)如下:

现在,我们可以很容易地获得

让我们表示右边第二项(RHS) (本),第一和第二项的园艺学会(要求寄出), ,和分别之后一些代数操作,我们获得 在哪里和 ,因此产生的命题。

b .命题2的证明

根据(10),我们有

现在,我们有 在哪里

所以,我们得到命题2。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作部分是由中国国家自然科学基金(41504026和41504026号),江西省自然科学基金(20152 acb21003),江西省优秀中青年骨干人才培养计划的基础(没有。20171 bcb23006),和南昌大学的研究生创新基金指定的(没有。cx2016277)。