引入天线的无线通信射频采集信道模型建立及其仿真分析

2021-06-10江龙才霍朝辉步冬静

电气自动化 2021年3期

江龙才，霍朝辉，步冬静

(国网安徽省电力有限公司池州供电公司，安徽池州 247100)

0 引言

目前，大部分能量受限的无线网络设备选择电池作为供电方式，但因电池的容量有限，对系统的性能造成了明显制约。针对以上问题，已有许多学者设计了多种节能运行方法，尤其以射频采集技术的应用最为广泛，具备多项优异性能，也因此受到了许多学者的密切关注。现阶段，多种无线通信技术以射频信号为数据传输载体，引入无线携能通信系统，实现射频信息采集以及无线数据传输功能，从而利用同一射频信号同步传输能量与信息，再利用接收端处理完成信息解码与能量采集的过程[1-3]。

从目前发展趋势分析，综合运用无线携能通信方法与协同中继方法已成为一项重要的应用技术,对于优化无线通信系统数据传输以及提高能量采集效率具有明显作用。在此基础上一些学者提出了不同的射频采集中继网络模型并构建了特定的传输协议[4-6]。但上述研究内容都是对数据传输与能量采集过程进行优化分析，并未对无线通信系统的安全性进行研究。考虑到无线传输媒介具有开放性的特点，引入射频采集中继网络后除了能够优化频谱与能量效率以外，还会造成较大安全威胁。对于提高信息安全性方面，除了可以采用传统形式的提高数据复杂度的加解密方式以外，也有研究人员在射频网络中引入物理层安全技术[7-9]，包括预编码和人工干扰等多种信息处理技术，确保系统达到更高的物理层安全等级[10]。不过上述内容并未考虑射频采集中继网络需要克服的非可信中继节点安全传输性能。

本文重点研究了时间切换传输协议条件下的物理层安全传输技术，通过源节点引入发送天线选择方案来提高能量受限中继节点收集能量的效率，再以人为干扰的方式避免信息受到非可信中继窃听的情况。

1 系统和信道模型

运用传统形式的三节点中继网络模型，为源节点S安装了N根天线，同时在中继节点R以及目的节点D上安装单天线。现假定S与D存在深衰落或因为受到障碍物遮挡而不能完成通信，R通过放大转发的方法使保密信息由S传输至D[11-12]。R为具有受限能量的节点，但可以完成射频采集，能够把射频信号转变为能量来实现信息转发。将R作为一个非可信节点，通信阶段会窃取由源节点产生的保密数据，本文针对这一问题开展了安全传输方面的研究。

现假定S第i根天线与R、R与D通信链路都发生了准静态瑞利块衰落，同时在时间T中保持恒定的无线链路。对T阶段中的信道参数进行建模得到独立的复高斯随机变量hSiR与hRD，二个信道增益都具有指数分布形式，其均值分别为γSiR与γRD。假定各通信链路都接收到均值为0以及方差为N0的高斯噪声干扰，各个节点都保持半双工的运行状态。这是由于中继节点都处于受限能量状态并且具有自私性，在保持自身能量的条件下帮助源节点与目的节点完成数据通信过程。

本文选择下述时间切换能量采集以及信息传输方案：把时长为T的传输过程表示成3个子时隙，在第一个αT子时隙段内，S通过发送天线选择的模式获得最优发射天线，再通过D将射频信号传输至R作为采集能量，α的取值介于0～1之间，表示采集能量与传输信息的时间切换因子。对剩余(1-α)T时间进行等分处理，进入(1-α)T/2时长的第二个子时隙阶段时，S通过最优发送天线将信息传输至R，此外，为提高系统物理层的数据安全性，D将人工干扰信息传输至R，避免非可信中继R对信息进行窃听。处于(1-α)T/2时段的第三个子时隙内，R通过采集能量实现信息转发到D的过程。

为准确分析D发送人工干扰时引起的物理层安全性变化，规定系统传输功率总和是P，S发射功率为β，D发射功率为(1-β)P，0<β<1表示S与D进行功率分配的系数。通过发送天线选择方案，选出最佳发射天线进行能量传输，对应的天线序号如下:

(1)

第一个子时隙内的中继节点进行能量采集的表达式如下：

(2)

对式(2)分析可知，为源节点设置最佳发射天线传输能量能够充分发挥多天线分集增益效果，使中继节点获得更高的能量采集效率。

进入第二时隙时，S先选择速率恒定的Wyner安全编码模式实现保密信息的安全编码，此编码方案由二个速率参数构成，分别为码元传输速率R0以及安全信息速率RS，通过Re=RO-RS计算得到准确数据来实现信息保护的作用。S对编码信息完成符号映射处理再通过最优发射天线i进行信号传输。此外，为确保系统物理层具备更高安全性，D将干扰信息传输至R，把中继节点获得的信号表示成以下形式

yR=hS1Rxs+hRDz+nE

(3)

式中：xs为源节点对中继传输功率为β的信号；z为目的节点将功率为(1-β)P人工干扰信号传输到中继发送节点；nR为高斯白噪声。假定所有信道都具备互异性，满足hRD=hDR。

对于第三个子时隙，得到中继节点的转发功率如下:

(4)

式中：η为能量转换效率因子。为R构建变增益放大转发协议，经过信号放大后的转发因子是1/(βP)，因此将D接收信号yR表示成：

(5)

式中：nD为目的节点D形成的加性高斯白噪声。假定在D处通过自干扰消除方法去除所有人工干扰项。

2 仿真分析

利用蒙特卡洛仿真方法测试了理论研究准确性，并对物理层的传输安全性能进行了分析。通过测试发现，采用蒙特卡洛方法得到的仿真结果与理论计算结果一致，说明结果是正确的。

从图1、图2中可以看到，在不同的时间因子α与功率因子β条件下得到中断概率，总共测试了源节点发送天线数依次为2、4、6三种条件，根据图1参数设定功率因子0.5，再将时间因子设定在0.5。由图1可以发现，当时间因子增大后，会引起连接中断概率的降低现象，此时中继节点能够采集得到更多能量，表现为中继节点发送功率提高后，系统获得了更高的可靠性。中断概率随天线数的增大而降低，这是因为处于能量采集子时隙阶段，随着天线数的增大可以使发送天线选择传输得到更高分集增益。一方面能够提高中继节点能量、提升中继转发功率，另一方面则可以改善源数据传输至中继信息时满足更高的可靠性。

图1 不同的时间因子下连接中断概率

由图2可知：当β增大后，中断概率出现了降低的现象，这是因为随着β的提高，可以有更多功率被应用于保密信息的传输过程中，从而达到更稳定的传输状态。当把功率因子设定在同样的参数下时，随着天线数的增大，分集增益也会随之提高，表现出更优的连接中断概率。此外，提高功率因子后，中断概率增大，这是因为提高功率因子后会降低人工干扰功率，导致系统整体安全性下降。

图2 不同功率因子下中断概率

从图3、图4中可以看到，在不同时间因子与功率因子下得到安全吞吐量曲线，将仿真阶段的源节点天线数设定在4。当时间因子增大后，安全吞吐量也明显提高，之后逐渐降低，因此具备一个最佳时间因子以达到最大的安全吞吐量。产生上述结果的原因是，在较低时间因子条件下，中继节点无法获得足够时间进行射频信号能量采集，此时能量还不能够建立稳定的安全通信链路；随着时间因子的增大，系统会出现有效通信时间(1-α)T/2降低的现象，从而减小了安全吞吐量。

图3 不同时间因子下安全吞吐量曲线

由图4可知：当β提高后，安全吞吐量明显增大，之后逐渐降低，因此有一个特定的功率因子达到最大的安全吞吐量。这是由于在较低功率因子下，源节点只能产生很低发射功率，形成很小的安全吞吐量；提高功率因子后，会降低目的节点的发送功率，对传输人工干扰信息造成较大影响。从而提高了切取私密信息的概率，减小了整体安全性，因此系统只能获得较低安全吞吐量。