一种面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法。
背景技术
随着互联网、智能家居以及移动端设备的普及，无线网络已经变成我们日常生活中不可或缺的一部分，被广泛应用于民用及军事领域。然而，由于无线通信开放和广播的特性，以移动通信网络为代表的无线网络极易受到窃听者的攻击。窃听者通过攻击来获取权限并修改信息，或者阻断信息的传输。因此，安全问题便成为了无线网络应用中的关键问题，能够安全的进行数据通信的能力尤为重要，物理层安全通过利用无线信道的物理特性来保证信息的安全传输。采用多天线，波束赋形等多种方式来增强物理层的安全性，尤其是中继技术。在无线通信系统中，利用中继技术不仅可以扩展通信的范围，提高网络吞吐量，还能显著提高物理层安全性。另外，正交频分复用(OFDM)技术通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转变为单径平坦衰落信道，从而可以有效抑制符号间干扰(ISI)。因此在无线协作网络和认知无线电网络中结合应用OFDM技术和中继协作技术得到了人们的广泛关注。
近年来，利用OFDM技术与中继协作技术来提高无线网络的物理层安全越来越受到关注。在无线协作网络中，信息传输的第一个时隙，源节点将信息发送给中继节点，在第二个时隙，中继节点转发从源节点处接收到的信息，同时干扰节点发送人为噪声干扰窃听者。因此，现已提出了一些联合子载波分配与中继协作方案。对于最佳中继选择方案，选择信噪比最高的链路对应的节点作为最佳中继节点。对于最佳联合中继及干扰选择方案，从所有能够成功解码源信号的中间节点中，选取一个性能最好的节点作为中继节点，其他的节点作为协同干扰。但以上研究都未考虑多中继、多干扰节点协作传输的情况，且中继节点在两个时隙使用同一个子载波进行信号传输。与现有研究不同，本发明研究具有多个中间节点的无线网络的物理层安全问题，提出新的面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法，用于保护无线通信免受窃听。以最大化系统总保密速率为目标，提出一种节点模式选择与资源分配方法，一部分节点作为中继节点协助转发源信号，另一部分节点作为干扰节点发送人工噪声干扰窃听者，对节点选择、子载波、功率进行了优化分配。
有鉴于此，有必要设计一种面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对无线协作网络提出的面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法，该方法不但能提高用户传输数据的保密率，同时还可以提升无线通信网络的安全性能。
为实现以上目的，本发明提供了一种面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1、设置参数，记hk,i，gk,j，ek,j分别是源节点到中间节点k链路第i个子载波上的信道增益、中间节点k到目的节点链路第j个子载波上的信道增益、中间节点k到窃听者链路第j个子载波上的信道增益、pi是源节点在子载波i上分配的功率，qk,j是中间节点k在子载波j上分配的功率，源节点的功率约束为Ps，中间节点k的功率约束为Pk；
步骤2、优化中间节点的模式选择和无线资源分配，最大化系统总保密速率，优化问题模型为P1：
其中，γk,i＝1表示中间节点k在第一个时隙中通过子载波i接收源节点发送来的信息，θk,j＝1表示中间节点k在第二个时隙中通过子载波j转发信息(若能成功解码源信号)或发送人工噪声，Ck,i,j表示在中间节点k帮助下，由源节点到目的节点通信链路的安全速率；
步骤3、求解问题模型P1，求解问题模型P1的步骤如下：
3-1、基于匹配理论与最大权二分图理论，将问题模型P1重新建模为三维匹配问题，通过优化{γk,i},{θk,j},{φk}，最大化系统总保密速率，三维匹配算法包括偏好列表确定阶段和匹配阶段；
3-2、获得{γk,i},{θk,j},{φk}优化结果后，提出一种节点模式选择优化方案，进一步优化{φk}；
3-3、根据上述步骤求得的子载波分配结果{γk,i}，{θk,j}与节点模式选择结果{φk}，原问题P1变为只有两个优化变量{pi}和{qk,j}的优化问题,原优化问题重新建模为P2:
其中，Pi代表中间节点被分配子载波i时的最大传输功率，hw,i是源节点通过子载波i到中继节点链路的信道增益，gw,i是中继节点通过子载波i到目的节点链路的信道增益，gl,i是干扰节点通过子载波到i到目的节点链路的信道增益，ew,i是中继节点通过子载波i到窃听节点链路的信道增益，el,i是干扰节点通过子载波i到窃听节点链路的信道增益；提出一种迭代功率分配方案，令pihw,i＝uigw,i，其步骤如下所示：
3-3-1、给定干扰节点功率分配结果{oi}，求解问题P2得到{pi}的优化结果；
3-3-2、通过步骤5-1得到的{pi}的优化结果，求解问题P2，得到干扰节点功率分配的优化结果{oi}；
3-4、判断问题模型P2的目标函数是否达到收敛，若收敛则算法结束，输出优化后的{γk,i},{θk,j},{φk},{pi},{qk,j}，否则，返回步骤3-3-1。
作为本发明的进一步改进，在步骤2中，第二个约束和第三个约束保证在第一个传输时隙中，一个子载波最多分配给一个中间节点，一个中间节点最多被分配一个子载波；第四个约束和第五个约束保证在第二个时隙中，一个子载波最多分配给一个中间节点，一个中间节点最多分配一个子载波；φk＝1表示中间节点k被选作干扰节点发送人为干扰，相反，φk＝0表示中间节点k被选作中继节点协助源节点转发信息。
作为本发明的进一步改进，所述Ck,i,j的表达式为：
Ck,i,j＝(CS,D,k,i,j-CE,k,i,j)+,
其中，
作为本发明的进一步改进，在步骤3-1中，将第一时隙上的子载波、中间节点和第二时隙上的子载波看作相互独立且自私、理性的玩家，令TS＝{1,2,...N}表示第一时隙传输中的子载波集合，RS＝{1,2,...N}表示第二时隙传输中的子载波集合，K＝{1,2,...K}表示中间节点集合，定义(TSi,Kk,TSj)为一个三维匹配组，表示集合中的三个元素形成匹配，定义TSi,Kk,TSj的偏好列表为
假设在计算偏好列表时不考虑干扰节点的影响，偏好列表中的元素由每个潜在三维匹配组的安全速率决定：
偏好列表中元素的排列顺序为降序排列。定义由三个玩家组成的任意三维匹配组的效用为C′k，i，j，所有三维匹配组的总效用为系统总安全速率：
作为本发明的进一步改进，在步骤3-1中，进一步包括以下步骤：
3-1-1)初始化功率分配
3-1-2)如果TS中还存在未匹配的玩家，每个TSi对其偏好列表中的第一个元素(Kk,TSj)发出匹配请求，如果Kk,TSj在之前没有匹配过，且在这次迭代中只收到一个来自TSi的匹配请求，则将(TSi,Kk,TSj)临时匹配；如果Kk,TSj在先前的迭代中已经匹配过，判断(TSi,Kk,TSj)是否构成阻塞三维组，若(TSi,Kk,TSj)构成阻塞三维组则将(TSi,Kk,TSj)形成匹配，且Kk,TSj拒绝原先存在的匹配；否则Kk,TSj拒绝TSi的请求；所有被拒绝的玩家删除其偏好列表中的第一个元素；
其中，定义阻塞三维组为：给定一个三维匹配组QB＝(TSi,Kk,TSj)，对
作为本发明的进一步改进，在步骤3-1-2)基础上，将中间节点中没被选作中继的节点选作干扰节点，通过最大权二分图理论优化干扰节点上的子载波分配，将干扰节点与子载波这两个相互独立的集合看作二分图的顶点，二分图中由干扰节点与子载波构成的每一条边的权值为：在一个中继节点和一个干扰节点的帮助下，源节点到目的节点的安全速率Ck，i，j，其中
作为本发明的进一步改进，在步骤3-2中，定义I＝{1,2，...N}为中继节点集合，U＝K/I为干扰节点集合，设置贪婪因子ε(接近1的常数)保证决策的多样性。
作为本发明的进一步改进，在步骤3-2中，对每一个中继节点进行如下操作直到达到迭代次数或系统总保密速率收敛：
3-2-1)与每一个干扰节点进行模式交换，计算每次模式交换后的总保密速率，将交换后能给总保密速率带来提升的干扰节点添加到中继节点的选择列表中，将列表中的元素按保密速率进行降序排列；
3-2-2)生成0到1之间的随机数，判断随机数与ε的大小，中继节点以较大概率从选择列表选取第一个元素进行模式交换，以较小概率从列表中任选一个元素进行模式交换。
作为本发明的进一步改进，所述无线网络包括一个源节点、一个目的节点和K个中间节点、以及一个窃听节点，假设系统的子载波个数是N(N＜K)，没有源节点到目的节点，以及源节点到窃听节点的直达链路；所述无线网络中每个中间节点都是单天线节点，每一个子载波在每一跳的传输中只能被分配给一个中间节点，一个中间节点上占用的子载波对最多只有一对；噪声功率为σ2，传输分为两个时隙，在第一个时隙中，源节点向中间节点发送信息，在第二个时隙中，选择N个节点作为中继节点转发从源节点处接收到的信息，同时选择剩下的节点作为干扰节点向窃听者发送人工噪声
本发明的有益效果如下：本发明针对无线协作网络提出的面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法，不但提高了用户传输数据的保密率，同时还提升了无线通信网络的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅只是本发明的一些实施例。其中：
图1为本发明面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法流程图。
图2为本发明面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法系统场景图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明设计的面向物理层安全的OFDM系统节点模式选择和无线资源分配方法考虑的场景如下：无线网络包含一个源节点，一个目的节点和K个中间节点，以及一个窃听节点。假设系统的子载波个数是N(N＜K)，没有源节点到目的节点，以及源节点到窃听节点的直达链路。所述无线网络中每个中间节点都是单天线节点，每一个子载波在每一跳的传输中只能被分配给一个中间节点，一个中间节点上占用的子载波对最多只有一对。噪声功率为σ2。传输分为两个时隙，在第一个时隙中，源节点向中间节点发送信息，在第二个时隙中，选择N个节点作为中继节点转发从源节点处接收到的信息，同时选择剩下的节点作为干扰节点向窃听者发送人工噪声。
记hk,i，gk,j，ek,j分别是源节点到中间节点k链路第i个子载波上的信道增益、中间节点k到目的节点链路第j个子载波上的信道增益、中间节点k到窃听者链路第j个子载波上的信道增益。pi是源节点在子载波i上分配的功率，qk,j是中间节点k在子载波j上分配的功率，源节点的功率约束为Ps，中间节点k的功率约束为Pk。
本发明的目标是在源节点与中间节点发射功率限制条件下，通过优化中间节点的模式选择和无线资源分配，最大化系统总保密速率，优化问题为：
其中，γk,i＝1表示中间节点k在第一个时隙中通过子载波i接收源节点发送来的信息，θk,j＝1表示中间节点k在第二个时隙中通过子载波j转发信息(若能成功解码源信号)或发送人工噪声。Ck,i,j表示在中间节点k帮助下，由源节点到目的节点通信链路的安全速率。第二个约束和第三个约束保证在第一个传输时隙中，一个子载波最多分配给一个中间节点，一个中间节点最多被分配一个子载波。第四个约束和第五个约束保证在第二个时隙中，一个子载波最多分配给一个中间节点，一个中间节点最多分配一个子载波。φk＝1表示中间节点k被选作干扰节点发送人为干扰，相反，φk＝0表示中间节点k被选作中继节点协助源节点转发信息。所述Ck,i,j的表达式为：
Ck,i,j＝(CS,D,k,i,j-CE,k,i,j)+,
其中，
(2)通过求解问题模型P1，得到{γk,i},{θk,j},{φk},{pi},{qk,j}的最优解，并按照最优解分配相应资源，所述求解问题P1的步骤如下：
1)基于匹配理论与最大权二分图理论，我们将原问题重新建模为三维匹配问题，通过优化{γk,i},{θk,j},{φk}，最大化系统总保密速率。我们将第一时隙上的子载波，中间节点和第二时隙上的子载波看作相互独立且自私、理性的玩家，令TS＝{1,2,...N}表示第一时隙传输中的子载波集合，RS＝{1,2,...N}表示第二时隙传输中的子载波集合，K＝{1,2,...K}表示中间节点集合。定义(TSi,Kk,TSj)为一个三维匹配组，表示集合中的三个元素形成匹配。定义TSi,Kk,TSj的偏好列表为
假设在计算偏好列表时不考虑干扰节点的影响，偏好列表中的元素由每个潜在三维匹配组的安全速率决定：
偏好列表中元素的排列顺序为降序排列。定义由三个玩家组成的任意三维匹配组的效用为C′k，i，j，所有三维匹配组的总效用为系统总安全速率：
(3-1-1)初始化功率分配
(3-1-2)如果TS中还存在未匹配的玩家，每个TSi对其偏好列表中的第一个元素(Kk,TSj)发出匹配请求。如果Kk,TSj在之前没有匹配过，且在这次迭代中只收到一个来自TSi的匹配请求，我们将(TSi,Kk,TSj)临时匹配。如果Kk,TSj在先前的迭代中已经匹配过，判断(TSi,Kk,TSj)是否构成阻塞三维组。若(TSi,Kk,TSj)构成阻塞三维组则将(TSi,Kk,TSj)形成匹配，且Kk,TSj拒绝原先存在的匹配；否则Kk,TSj拒绝TSi的请求。所有被拒绝的玩家删除其偏好列表中的第一个元素。
其中，定义阻塞三维组为：给定一个三维匹配组QB＝(TSi,Kk,TSj)，对
进一步的，将中间节点中没被选作中继的节点选作干扰节点，通过最大权二分图理论优化干扰节点上的子载波分配。将干扰节点与子载波这两个相互独立的集合看作二分图的顶点，二分图中由干扰节点与子载波构成的每一条边的权值为：在一个中继节点和一个干扰节点的帮助下，源节点到目的节点的安全速率Ck，i，j，其中
2)获得{γk,i},{θk,j},{φk}优化结果后，提出一种节点模式选择优化方案，进一步优化{φk}，如算法2所示。
定义I＝{1,2，…N}为中继节点集合，U＝K/I为干扰节点集合，设置贪婪因子ε(接近1的常数)保证决策的多样性。对每一个中继节点进行如下操作直到达到迭代次数或系统总保密速率收敛：
2-1)与每一个干扰节点进行模式交换，计算每次模式交换后的总保密速率。将交换后能给总保密速率带来提升的干扰节点添加到中继节点的选择列表中，将列表中的元素按保密速率进行降序排列。
2-2)生成0到1之间的随机数，判断随机数与ε的大小，中继节点以较大概率从选择列表选取第一个元素进行模式交换，以较小概率从列表中任选一个元素进行模式交换。
3)根据上述步骤求得的子载波分配结果{γk,i}，{θk,j}与节点模式选择结果{φk}，原问题P1变为只有两个优化变量{pi}和{qk,j}的优化问题。令ui和oi分别表示中继节点和干扰节点在子载波i上分配的功率，特别的，当干扰节点未被分配子载波时，oi＝0。原优化问题可重新建模为：
其中，Pi代表中间节点被分配子载波i时的最大传输功率，hw,i是源节点通过子载波i到中继节点链路的信道增益，gw,i是中继节点通过子载波i到目的节点链路的信道增益，gl,i是干扰节点通过子载波到i到目的节点链路的信道增益，ew,i是中继节点通过子载波i到窃听节点链路的信道增益，el,i是干扰节点通过子载波i到窃听节点链路的信道增益。提出一种迭代功率分配方案，令pihw,i＝uigw,i，其步骤如下所示：
3-1)给定干扰节点功率分配结果{oi}，求解问题P2得到{pi}的优化结果。该问题属于凸问题，可采用拉格朗日对偶法或内点法求解；
3-2)通过步骤3-1得到的{pi}的优化结果，求解问题P2，得到干扰节点功率分配的优化结果{oi}。该问题属于凸问题，可采用拉格朗日对偶法或内点法求解。
4)判断问题P2的目标函数是否达到收敛，若收敛则算法结束，输出优化后的{γk,i},{θk,j},{φk},{pi},{qk,j}，否则，返回步骤3-1。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
