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絡設備選擇電池作為供電方式，但因電池的容量有限，對系統的性能造成了明顯制約。針對以上問題，已有許多學者設計了多種節能運行方法，尤其以射頻采集技術的應用最為廣泛，具備多項優異性能，也因此受到了許多學者的密切關注?，F階段，多種無線通信技術以射頻信號為數據傳輸載體，引入無線攜能通信系統，實現射頻信息采集以及無線數據傳輸功能，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]。

從目前發展趨勢分析，綜合運用無線攜能通信方法與協同中繼方法已成為一項重要的應用技術,對于優化無線通信系統數據傳輸以及提高能量采集效率具有明顯作用。在此基礎上一些學者提出了不同的射頻采集中繼網絡模型并構建了特定的傳輸協議[4-6]。但上述研究內容都是對數據傳輸與能量采集過程進行優化分析，并未對無線通信系統的安全性進行研究。考慮到無線傳輸媒介具有開放性的特點，引入射頻采集中繼網絡后除了能夠優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，除了可以采用傳統形式的提高數據復雜度的加解密方式以外，也有研究人員在射頻網絡中引入物理層安全技術[7-9]，包括預編碼和人工干擾等多種信息處理技術，確保系統達到更高的物理層安全等級[10]。不過上述內容并未考慮射頻采集中繼網絡需要克服的非可信中繼節點安全傳輸性能。

本文重點研究了時間切換傳輸協議條件下的物理層安全傳輸技術，通過源節點引入發送天線選擇方案來提高能量受限中繼節點收集能量的效率，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 系統和信道模型

運用傳統形式的三節點中繼網絡模型，為源節點S安裝了N根天線，同時在中繼節點R以及目的節點D上安裝單天線。現假定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通過放大轉發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點，但可以完成射頻采集，能夠把射頻信號轉變為能量來實現信息轉發。將R作為一個非可信節點，通信階段會竊取由源節點產生的保密數據，本文針對這一問題開展了安全傳輸方面的研究。

現假定S第i根天線與R、R與D通信鏈路都發生了準靜態瑞利塊衰落，同時在時間T中保持恒定的無線鏈路。對T階段中的信道參數進行建模得到獨立的復高斯隨機變量hSiR與hRD，二個信道增益都具有指數分布形式，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，各個節點都保持半雙工的運行狀態。這是由于中繼節點都處于受限能量狀態并且具有自私性，在保持自身能量的條件下幫助源節點與目的節點完成數據通信過程。

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，S通過發送天線選擇的模式獲得最優發射天線，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時間進行等分處理，進入(1-α)T/2時長的第二個子時隙階段時，S通過最優發送天線將信息傳輸至R，此外，為提高系統物理層的數據安全性，D將人工干擾信息傳輸至R，避免非可信中繼R對信息進行竊聽。處于(1-α)T/2時段的第三個子時隙內，R通過采集能量實現信息轉發到D的過程。

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

(1)

第一個子時隙內的中繼節點進行能量采集的表達式如下：

(2)

對式(2)分析可知，為源節點設置最佳發射天線傳輸能量能夠充分發揮多天線分集增益效果，使中繼節點獲得更高的能量采集效率。

進入第二時隙時，S先選擇速率恒定的Wyner安全編碼模式實現保密信息的安全編碼，此編碼方案由二個速率參數構成，分別為碼元傳輸速率R0以及安全信息速率RS，通過Re=RO-RS計算得到準確數據來實現信息保護的作用。S對編碼信息完成符號映射處理再通過最優發射天線i進行信號傳輸。此外，為確保系統物理層具備更高安全性，D將干擾信息傳輸至R，把中繼節點獲得的信號表示成以下形式

yR=hS1Rxs+hRDz+nE

(3)

式中：xs為源節點對中繼傳輸功率為β的信號；z為目的節點將功率為(1-β)P人工干擾信號傳輸到中繼發送節點；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，得到中繼節點的轉發功率如下:

(4)

式中：η為能量轉換效率因子。為R構建變增益放大轉發協議，經過信號放大后的轉發因子是1/(βP)，因此將D接收信號yR表示成：

(5)

式中：nD為目的節點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確性，并對物理層的傳輸安全性能進行了分析。通過測試發現，采用蒙特卡洛方法得到的仿真結果與理論計算結果一致，說明結果是正確的。

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，總共測試了源節點發送天線數依次為2、4、6三種條件，根據圖1參數設定功率因子0.5，再將時間因子設定在0.5。由圖1可以發現，當時間因子增大后，會引起連接中斷概率的降低現象，此時中繼節點能夠采集得到更多能量，表現為中繼節點發送功率提高后，系統獲得了更高的可靠性。中斷概率隨天線數的增大而降低，這是因為處于能量采集子時隙階段，隨著天線數的增大可以使發送天線選擇傳輸得到更高分集增益。一方面能夠提高中繼節點能量、提升中繼轉發功率，另一方面則可以改善源數據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β增大后，中斷概率出現了降低的現象，這是因為隨著β的提高，可以有更多功率被應用于保密信息的傳輸過程中，從而達到更穩定的傳輸狀態。當把功率因子設定在同樣的參數下時，隨著天線數的增大，分集增益也會隨之提高，表現出更優的連接中斷概率。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，導致系統整體安全性下降。

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，將仿真階段的源節點天線數設定在4。當時間因子增大后，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到最大的安全吞吐量。產生上述結果的原因是，在較低時間因子條件下，中繼節點無法獲得足夠時間進行射頻信號能量采集，此時能量還不能夠建立穩定的安全通信鏈路；隨著時間因子的增大，系統會出現有效通信時間(1-α)T/2降低的現象，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到最大的安全吞吐量。這是由于在較低功率因子下，源節點只能產生很低發射功率，形成很小的安全吞吐量；提高功率因子后，會降低目的節點的發送功率，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 結束語

本文針對源節點通過發送天線選擇策略提高能量受限中繼節點對能量進行采集的效率，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運行性能和時間因子以及功率因子之間的關系，可以通過合理調整時間因子與功率因子來達到最大的安全吞吐量。