一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法

一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法

　　技术领域

　　本发明属于认知无线电通信领域，涉及无线网络物理层安全传输方法，具体涉及一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法。

　　背景技术

　　随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源短缺问题日益凸显出来。认知无线电技术作为一种有效缓解频谱资源短缺问题的方法得到越来越多的重视和研究。认知无线电技术旨在保证授权用户服务质量的基础上使非授权用户可以共享授权用户的频谱资源，从而提升频谱的利用效率。

　　认知无线电技术的推广使用可以有效提升现有频谱资源的利用率，但其动态开放的频谱特性也使其更易受到恶意节点的窃听，面临更大的安全威胁。和传统密码学在网络架构上层的应用不同，物理层安全技术主要研究如何利用无线网络中物理层信道的特征，实现绝对意义上的安全通信，即可以在没有高层加密或者被窃听者窃取密钥的情况下仍然能提供有效的保密通信。在物理层安全技术中，为了衡量网络的安全性能，保密速率的概念被提出。协作中继和协作干扰是两种重要的提升保密速率的协作手段。在认知无线网络中利用协作中继和协作干扰来提升保密速率的障碍之一就是缺少激励。网络内的用户都属于不同的实体，并不愿意主动协助其他用户进行物理层安全通信。基于此，已经有研究利用频谱资源来激励次用户为主用户提供协作安全服务。然而，这些研究多关注于单一主用户下的辅助场景，这造成了主用户处于利益的垄断地位，因为次用户会尽可能的选择接受主用户的要求以获得频谱资源，处于劣势地位。

　　发明内容

　　针对上述问题，本发明考虑了多个主用户的情形，对于存在多个自私主、次用户和窃听者的认知无线电网络场景，利用频谱资源激励多个主、次用户达成匹配关系，次用户通过协作主用户的保密传输获得频谱资源，以D2D(Device-to-Device，终端直通)的方式直接向其目标传输信息，在提升主用户保密速率的同时，为次用户创造了更多的传输机会。基于此，本发明提出一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法，基于以下系统实现：

　　系统是一个由M个主用户、1个作为主用户接收节点的基站b、K个窃听者、N个D2D次用户和相应的D2D次用户接收节点组成的认知无线网络，其中主网络共有M条独立的信道，基站b允许所有主用户同时传输数据，每一个主用户都各自拥有一条独立信道的使用权，并试图在有窃听者存在的情况下进行安全传输；D2D次用户则试图得到接入某一条信道的权利，以D2D方式向其目标接收节点直接进行信息传输。PUm表示第m个主用户，Ek表示第k个窃听者，SUn和Dn分别表示第n个次用户和它的接收节点，主用户索引集为次用户和次用户传输目标的索引集为窃听者索引集为ε＝{1,...,K}，主用户PUm,最小保密速率需求为次用户SUn,最小传输速率需求为最小保密速率需求和最小传输速率需求均可由用户根据业务需求和网络状况自行决定。

　　主用户为了提高传输时的保密速率，需要将拥有的传输时隙分成两部分，分别称为协助阶段和奖励阶段。在协助阶段，主用户使用长为(1-α)*T的时隙时间来传输信息，同时由一个D2D次用户来协助安全传输；在奖励阶段，主用户将剩余的α*T时隙时间作为酬劳奖励给进行协助的D2D次用户用于它自己的传输。其中，T是时隙长度，α是奖励时间因子，是奖励阶段时长和时隙总长度的比值。对于协助阶段主用户的传输，根据相关的信道条件，D2D次用户可能提供的两种的协助行为是：协同传输和友善干扰。

　　若主用户PUm,传输时，没有次用户进行协助，主用户的直接传输保密速率为：

　　

　　其中Pm是主用户PUm的发射功率；hm,b是主用户PUm到基站b的信道系数，hm,k是主用户PUm到窃听者Ek的信道系数，均由信道估计获得；σ2是加性高斯白噪声，其功率谱密度n由信道估计得到；|·|2表示求模的平方，max{·}表示取集合中的最大值，[·]+表示取正值，即

　　若主用户PUm,传输时，次用户SUn,以协同传输方式进行协助时，主用户的保密速率为：

　　

　　其中αm,n是主用户PUm因为得到次用户SUn协助而支付的奖励时间因子；Pm是主用户PUm的发射功率，Pn是次用户SUn的发射功率；hm,b是主用户PUm到基站b的信道系数，hm,k是主用户PUm到窃听者Ek的信道系数，hm,n是主用户PUm到次用户SUn的信道系数，hn,b是次用户SUn到基站b的信道系数，hn,k是次用户SUn到窃听者Ek的信道系数，均由信道估计获得；σ2是加性高斯白噪声，其功率谱密度n由信道估计得到。

　　若主用户PUm,传输时，次用户SUn,以友善干扰方式进行协助时，主用户的保密速率为：

　　

　　其中αm,n是主用户PUm因为得到次用户SUn协助而支付的奖励时间因子；Pm是主用户PUm的发射功率，Pn是次用户SUn的发射功率；hm,b是主用户PUm到基站b的信道系数，hm,k是主用户PUm到窃听者Ek的信道系数，hn,b是次用户SUn到基站b的信道系数，hn,k是次用户SUn到窃听者Ek的信道系数，均由信道估计获得；σ2是加性高斯白噪声，其功率谱密度n由信道估计得到。

　　相应地，次用户SUn,以协同传输或者友善干扰方式协助主用户PUm,安全传输后，在奖励阶段的传输速率为：

　　

　　其中，αm,n是主用户PUm因为得到次用户SUn协助而支付的奖励时间因子，Pn是次用户SUn的发射功率，是次用户SUn到对应目标接收节点Dn的信道系数，由信道估计获得；σ2是加性高斯白噪声，其功率谱密度n由信道估计得到。

　　根据上述保密速率定义，若主用户PUm,传输时得到次用户SUn,协助，则其效用函数可表示为：

　　

　　对应地，次用户SUn,的效用函数可表示为：

　　

　　本发明的目的是通过匹配方法将主用户和次用户组成配对，求解一个旨在最大化系统总效用的优化问题，然后按照配对结果令主、次用户进行信息传输，该优化问题及其约束条件表示如下：

　　

　　

　　

　　

　　

　　其中，s.t.是subjectto的缩写，表示受限于；λm,n是配对标识，用于表示主用户PUm和次用户SUn是否配对，λm,n＝1表示配对，λm,n＝1表示没有配对；是各次用户向各主用户给出的提供协作服务所要求得到的奖励时间因子所组成的集合，是所有配对标识组成的集合；∑表示求和，∪表示集合的并集。

　　约束条件(8)限制了奖励时间因子的范围；约束条件(9)表示一个主用户最多能够和一个次用户配对；约束条件(10)表示一个次用户最多能够和一个主用户配对。

　　本发明提供的基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法，具体包括以下步骤：

　　步骤一：对网络中的主用户和次用户按照分布式匹配方法进行匹配。本步骤的具体内容如下：

　　步骤1.1：初始化。

　　(1)记t为迭代轮数，W为待匹配主用户集。初始化t＝1，表示空集。

　　(2)记Φ(x)为x的匹配，Φ(PUm)＝(SU0，0)表示主用户PUm未匹配任何次用户，Φ(SUn)＝(PU0，0)表示次用户SUn未匹配任何主用户，PU0和SU0是为了表示未匹配而设置的虚拟用户。初始化各主用户PUm,的匹配为Φ(PUm)＝(SU0，0)，初始化各次用户SUn,的匹配为Φ(SUn)＝(PU0，0)。

　　(3)记为第t轮次用户SUn对主用户PUm的奖励时间因子要价。各次用户SUn,依据

　　

　　初始化第1轮对各主用户PUm,的奖励时间因子要价。

　　步骤1.2：次用户发布第t轮奖励时间因子要价，主用户根据要价进行决策。

　　(1)设

　　(2)记为第t轮次用户SUn对各主用户PUm,的要价所组成的集合。各次用户SUn,在网络中发布奖励时间因子要价集

　　(3)记为第t轮主用户PUm得到的各次用户对其要价组成的集合。各主用户PUm,根据次用户的发布信息得到对自己的要价集然后各主用户PUm,根据要价集以及和各次用户匹配所可能得到的效用函数值计算最佳匹配对象索引集

　　的计算表达式为：

　　

　　其中，

　　(4)记

　　

　　为匹配请求发送标识。各主用户PUm,决定是否发出匹配请求：如果且Φ(PUm)＝(SU0，0)，则随机选择一个最佳匹配对象SUi发出匹配请求，表示为然后把PUm放入待匹配主用户集W。

　　其中索引是从PUm最佳匹配对象索引集里随机选择的一个次用户索引，random({·})表示随机取出集合中的一个元素。

　　步骤1.3：次用户根据收到的匹配请求数进行决策，并确定第t+1轮要价。

　　对于各次用户SUn,

　　(1)如果Φ(SUn)＝(PU0，0)且且则

　　1)令同时令表示次用户SUn和主用户PUq形成匹配，且主用户PUq要支付给次用户SUn的奖励时间因子为

　　其中索引是从索引集合里随机选择的一个主用户索引，索引集合是第t-1轮所有向次用户SUn发来匹配请求的主用户索引组成的集合。

　　2)如果则令表示主用户PUq取消第t轮发出的匹配请求。

　　其中索引是主用户PUq第t轮匹配请求对象的索引,由于主用户每轮最多发送一个请求，所以此处只会得到一个次用户索引。

　　3)令次用户SUj重新执行一次步骤1.3。

　　4)设符号“/”表示从左边集合中去掉右边集合中的元素。

　　5)设

　　(2)如果则

　　1)设

　　其中λ是奖励时间因子的增长步长，其大小会影响迭代轮数，可根据网络规模自行确定。

　　2)如果Φ(SUn)≠(PU0，0)，则令Φ(SUn)＝(PU0，0)，表示次用户SUn解除当前匹配，次用户SUn和其当前匹配的主用户均变为未匹配。

　　(3)如果则

　　1)如果Φ(SUn)≠(PU0，0)，则令Φ(SUn)＝(PU0，0)。

　　2)如果Φ(SUn)＝(PU0，0)，则令同时令

　　其中索引是唯一向次用户SUn发来匹配请求的主用户的索引。

　　3)设

　　(4)如果与(1)-(3)条件均不符，则设

　　步骤1.4：令t＝t+1，如果则转到步骤1.2；否则步骤一结束，转到步骤二。

　　步骤二：在匹配结束后，根据匹配结果，成功配对的主用户在配对的次用户协助下根据匹配得到的保密速率在(1-α)*T时隙时间内进行传输，成功配对的次用户在剩余α*T时隙时间进行自己的传输。同时，未匹配的主用户如果直接传输保密速率高于最小保密速率要求，就以直接传输保密速率在T时隙时间内传输。

　　与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

　　本发明方法在保障主用户通信安全的同时改善了次用户在协作服务交易中的劣势地位，在本传输方法下，所有参与协作安全传输的用户能够获得更加合理的频谱资源，充分调动了次用户参与协作的积极性；同时，本传输方法在增强主用户信息传输安全性的同时，为次用户创造了更多的传输机会，有效提升了系统吞吐量，更加有效的利用了网络的频谱资源，实现主、次用户的双赢局面。

　　附图说明

　　图1是本发明实施例使用的认知无线网络的系统模型图。

　　图2是本发明实施例提供的基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法的实现流程图。

　　图3是本发明实施例提供的仿真实验结果中本发明与无次用户协作方法在信道利用率方面的对比图。

　　图4是本发明实施例提供的仿真实验结果中本发明与无次用户协作方法在系统吞吐量方面的对比图。

　　具体实施方式

　　以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

　　本发明提供一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法，可在认知无线网络存在多个主用户和次用户、并且存在窃听者的情况下，以频谱资源为激励，通过多次迭代匹配，使多个主、次用户相互协作，次用户通过协作主用户的保密传输获得频谱资源，在改善主用户保密速率的同时，有效提升系统吞吐量。

　　下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

　　本发明实施例使用的认知无线通信网络系统模型如图1所示，该系统包括20个主用户、1个作为主用户传输目标的基站b、4个窃听者、40个次用户、40个相应的次用户目标接收节点(未在图中示出)。信道带宽设为1MHz，主用户和次用户均采用固定的功率进行信息传输，所有信道增益服从瑞利衰落模型。奖励时间因子的增长步长为0.2，时隙长T为1s，噪声功率均为1mW，所有主用户最小保密速率需求和所有次用户最小传输速率需求均在0-0.25Mbps内随机选取。每一个主用户都占有一条正交的信道并且希望能够安全地进行传输，而次用户希望得到接入某一条信道的权利来进行自己的传输。PUm表示第m个主用户，Ek表示第k个窃听者，SUn和Dn分别表示第n个次用户和它的传输目标，主用户索引集为次用户和次用户传输目标的索引集为窃听者索引集为ε＝{1,...,4}。

　　如图2所示，本发明实施例提供的基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法的实现包括以下步骤：

　　所述基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法具体包括以下步骤：

　　步骤一：对网络中的主用户和次用户按照分布式匹配方法进行匹配。本步骤的具体内容如下：

　　步骤1.1：初始化。

　　(1)记t为迭代轮数，W为待匹配主用户集。初始化t＝1，表示空集。

　　(2)记Φ(x)为x的匹配，Φ(PUm)＝(SU0，0)表示主用户PUm未匹配任何次用户，Φ(SUn)＝(PU0，0)表示次用户SUn未匹配任何主用户，PU0和SU0是为了表示未匹配而设置的虚拟用户。初始化各主用户PUm,的匹配为Φ(PUm)＝(SU0，0)，初始化各次用户SUn,的匹配为Φ(SUn)＝(PU0，0)。

　　(3)记为第t轮次用户SUn对主用户PUm的奖励时间因子要价。各次用户SUn,依据

　　

　　初始化第1轮对各主用户PUm,的奖励时间因子要价。

　　步骤1.2：次用户发布第t轮奖励时间因子要价，主用户根据要价进行决策。

　　(1)设

　　(2)记为第t轮次用户SUn对各主用户PUm,的要价所组成的集合。各次用户SUn,在网络中发布奖励时间因子要价集

　　(3)记为第t轮主用户PUm得到的各次用户对其要价组成的集合。各主用户PUm,根据次用户的发布信息得到对自己的要价集然后各主用户PUm,根据要价集以及和各次用户匹配所可能得到的效用函数值计算最佳匹配对象索引集

　　的计算表达式为：

　　

　　其中，

　　(4)记

　　

　　为匹配请求发送标识。各主用户PUm,决定是否发出匹配请求：如果且Φ(PUm)＝(SU0，0)，则随机选择一个最佳匹配对象SUi发出匹配请求，表示为然后把PUm放入待匹配主用户集W。

　　其中索引是从PUm最佳匹配对象索引集里随机选择的一个次用户索引，random({·})表示随机取出集合中的一个元素。

　　步骤1.3：次用户根据收到的匹配请求数进行决策，并确定第t+1轮要价。

　　对于各次用户SUn,

　　(1)如果Φ(SUn)＝(PU0，0)且且则

　　1)令同时令表示次用户SUn和主用户PUq形成匹配，且主用户PUq要支付给次用户SUn的奖励时间因子为

　　其中索引是从索引集合里随机选择的一个主用户索引，索引集合是第t-1轮所有向次用户SUn发来匹配请求的主用户索引组成的集合。

　　2)如果则令表示主用户PUq取消第t轮发出的匹配请求。

　　其中索引是主用户PUq第t轮匹配请求对象的索引,由于主用户每轮最多发送一个请求，所以此处只会得到一个次用户索引。

　　3)令次用户SUj重新执行一次步骤1.3。

　　4)设符号“/”表示从左边集合中去掉右边集合中的元素。

　　5)设

　　(2)如果则

　　1)设

　　其中λ是奖励时间因子的增长步长，其大小会影响迭代轮数，可根据网络规模自行确定。

　　2)如果Φ(SUn)≠(PU0，0)，则令Φ(SUn)＝(PU0，0)，表示次用户SUn解除当前匹配，次用户SUn和其当前匹配的主用户均变为未匹配。

　　(3)如果则

　　1)如果Φ(SUn)≠(PU0，0)，则令Φ(SUn)＝(PU0，0)。

　　2)如果Φ(SUn)＝(PU0，0)，则令同时令

　　其中索引是唯一向次用户SUn发来匹配请求的主用户的索引。

　　3)设

　　(4)如果与(1)-(3)条件均不符，则设

　　步骤1.4：令t＝t+1，如果则转到步骤1.2；否则步骤一结束，转到步骤二。

　　步骤二：在匹配结束后，根据匹配结果，成功配对的主用户在配对的次用户协助下根据匹配得到的保密速率在(1-α)*T时隙时间内进行传输，成功配对的次用户在剩余α*T时隙时间进行自己的传输。同时，未匹配的主用户如果直接传输保密速率高于最小保密速率要求，就以直接传输保密速率在T时隙时间内传输。

　　本具体实施例现通过在上述认知无线网络场景中将无用户协作情况下主用户如果直接传输的保密速率大于其最小保密率需求，就直接进行传输的方法作为基线方法，与本具体实施例实现的所述基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法进行对比，得到了图3和图4的性能评估曲线。性能指标包括信道利用率，即能达到最小保密速率要求的主用户数和主用户总数的比值，系统吞吐量，即所有能达到自身最小保密速率要求的主用户的保密速率和所有次用户的传输速率之和。

　　图3给出了本具体实施例信道利用率随次用户发射功率的变化曲线。从仿真结果可以看出，随着次用户的发射功率不断增大，信道利用率不断增长。这是由于随着次用户的发射功率不断增大，有更多的次用户能够参与主用户安全传输的协作，从而使更多主用户达到安全传输的要求。

　　图4给出了本具体实施例系统吞吐量随次用户发射功率的变化曲线。从仿真结果可以看出，系统吞吐量随着次用户发射功率的增大而不断增加，这是由于随着次用户发射功率的增加使得次用户能以更强的协作能力参与协助主用户安全传输，同时在获得的奖励时隙时间里能够达到的传输速率也更大。结合图3可以看出，本发明在有效提高主用户传输安全性的同时更加有效地利用网络的频谱资源，形成了主、次用户的双赢局面。

　　本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。