一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法技术

技术编号:15706771 阅读:90 留言:0更新日期:2017-06-26 21:46
本发明专利技术公开了一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,运用统计时延QoS保障框架来对主用户发射机的统计QoS进行保障,运用统计时延敏感安全传输方案对认知用户的统计时延敏感安全进行保障。保障主用户的统计时延QoS要求和认知用户的统计时延敏感要求都是用统计队列分析理论来进行的。本发明专利技术通过用凸包和概率传输理论提出了一个找任意二阶可导函数的凸包的算法,然后通过算法找到了该问题的拉格朗日函数的凸包,最后用K.K.T.条件找到了最优的发射功率,从而得到了认知用户发射机平均最大吞吐量。本发明专利技术功率分配策略能够根据主用户发射机的时延QoS要求、认知用户的统计安全约束以及信道条件动态的进行调整。

Secure transmission method based on statistical QoS guarantee in cognitive radio network

The invention discloses a cognitive wireless network security transmission method based on statistical QoS guarantee, the use of statistical delay QoS security framework to QoS statistics of the primary user transmitter protection, using the statistical delay of the cognitive users' statistical delay sensitive security transmission scheme of sensitive safety guarantee. The statistical delay, QoS requirement and the statistical sensitivity of cognitive users are guaranteed by the statistical queue analysis theory. The present invention by a two order for any differentiable function of the convex hull algorithm for convex hull and transmission theory, and then through the Lagrange algorithm to find the problems of function of the convex hull, and finally K.K.T. found the optimal conditions of transmitting power, so as to get the average maximum throughput of cognitive user transmitter. The power allocation strategy of the invention can be adjusted dynamically according to the time delay QoS requirement of the main user transmitter, the statistical safety constraint of the cognitive user, and the channel condition.

【技术实现步骤摘要】
一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法
本专利技术涉及一种认知无线网的物理层安全传输技术,具体涉及一种认知无线网络中基于统计QoS保障安全传输方法,旨在有效地缓解频谱资源短缺并保障无线通信的安全性。
技术介绍
随着无线通信快速持续的更新换代以及无线通信终端数目的急剧增加,无线通信技术面临着越来越多的挑战,其中两个最重要的挑战分别是:1、频谱资源越来越紧张;2、无线通信安全保障越来越困难。下面对此分别进行简要的阐述。频谱共享和认知无线电技术可以有效地缓解频谱资源短缺的问题,被认为是未来通信系统最重要的特征之一。然而,在基于频谱共享的无线网络中,如何对主用户发射机提供有效的服务质量保障已经被广泛的视为一个关键问题。对于这个问题,传统的方法是通过一个固定值来作为主用户发射机的QoS保障,这种方法存在的缺点如下:首先,不同的主用户发射机有不同的QoS要求,那么不同的用户将会忍受不同程度的服务时延。举例来说,非实时的服务,如发送邮件,时延要求比较宽松;相反的,对于实时的服务,如动态密码,时延要求很严格。而其他的很多服务介于这两者之间。其次,各种完全不同甚至冲突的时延服务质量要求为未来的移动通信网络设计带来了巨大的挑战。所以,在无线网络中使用一种确定的时延门限服务质量保证实际上是不可行的。对此,有人提出了一种统计时延服务保障方法,即在队列时延门限违反概率理论基础上,用单参数来定量描述各种时延要求。无线通信中现存的安全保障技术可以分为两大类:即加密技术和物理层安全技术。加密技术建立在密码学理论上,应用于网络层及其以上各层,其核心是要不断提高密码破解的计算量。如果密钥一旦被窃听者知道,那么有用信息就完全被盗取。因此,加密技术存在着安全隐患。由于加密技术存在着这些缺点和近些年来对无线信道的深入研究,物理层安全技术得到了长足的发展。与传统的加密技术不同,物理层安全技术建立在信息论基础上,用于数据传输。现存的物理层安全技术主要用完美安全去评估性能。完美安全是用单变量参数来同时实现完美安全和可靠性。然而,用完美安全去评估性能有以下几个缺点:第一,快速变化的无线环境不能总是保证合法信道的质量优于窃听信道,这样的话,可靠性和安全性的简单结合将会严重降低系统的吞吐量。第二,移动用户的大部分服务都是有时间限制的,因此,被窃听到的数据也会经过一定的时间后失效。也就是说,可以允许一定量的数据泄露而不会影响安全传输。原因在于:在一定的时延范围之内,只要窃听者没有窃听到充足的数据,安全也是可以得到保障的。第三,安全的度量不应该是一成不变的,而是随着多样性的时延敏感要求,不同精细的变化着。针对上述完美安全的缺点,有人提出了对时延敏感系统的统计安全传输方案。这种方案针对无线通信中的时延敏感系统把可靠性和安全性功能来分开控制,来满足各种不同安全约束去最大化系统的吞吐量。综上,我们发现在频谱共享中用传统方法来保障主用户的QoS不够灵活,同样在物理层安全技术中用传统的方法去评估性能指标也不够灵活。这两个问题本质是同一个问题,我们可以使用统计队列分析理论来解决这个问题。即对于有时变入队和时变出队速率的队列系统,可以对其分解为两个虚拟的队列。第一个虚拟队列:即时变速率入队,恒定速率出队;第二个虚拟队列:恒定速率入队,时变速率出队。在保障主用户的统计时延服务质量时,我们在主用户发射机端建立一个虚拟的队列,该队列是一个具有时变速率入队,恒定速率出队的队列。再用队列时延门限违反概率理论,和有效容量有效带宽理论对此问题进行分析解决。这些理论在后面有详细的阐述。如果我们的有效容量不小于有效带宽,那么就能满足队列时延门限违反概率的要求,就能保障主用户的时延服务质量要求。在保障次级用户的统计时延敏感安全时,我们在窃听接收机端建立一个虚拟的队列,该队列是一个具有时变速率入队,恒定速率出队的队列。同理,如果我们的有效容量不小于有效带宽,那么就能满足队列时延门限违反概率的要求,就能保障次级用户的统计时延敏感安全要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题,提供一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,在满足主用户统计QoS要求的基础上来保障认知用户通信的安全性。为了实现上述目的,本专利技术采用的技术方案包括以下步骤:步骤一、建立系统模型;所述的系统模型中包括主网PN和认知网CRN,其中主网PN的带宽资源为W,认知网CRN共享主网PN的一部分带宽资源而与之共存;所述的主网PN包括一个主用户发射机PS和一个主用户接收机PR,所述的认知网CRN包括一个认知用户发射机SS、一个认知用户接收机SR以及一个认知用户窃听接收机SE;其中PS-PR,PS-SR,PS-SE,SS-PR,SS-SR,SS-SE之间的信道增益分别表示为hpp,hps,hpe,hsp,hss,hse;所有的信道增益服从瑞利衰落模型,所有的信道增益在每个帧长T内保持不变,在帧与帧之间独立变化,整个共存的网络增益定义为向量主用户发射机PS以常功率发射数据,认知用户发射机SS发射功率可变;步骤二、确立主用户PU的统计时延QoS保障框架;基于统计队列分析理论,在主用户发射机PS端建立一个队列,此队列具有恒定的数据到达速率RA及随机的数据服务速率Rp,使用队列长度门限违反概率来描述主用户PU的统计时延QoS要求;步骤三、确立认知用户SU的统计时延安全保障框架;在认知用户窃听接收机SE端建立一个队列,此队列具有随机的到达速率为B[t]及恒定的数据服务速率RE,使用队列长度门限违反概率来描述认知用户SU的统计时延敏感安全要求;步骤四、形成待优化问题:在最大化认知无线电网络的发射机的平均吞吐量的同时,满足:a.主用户发射机的统计时延服务质量要求、b.认知用户发射机的统计时延敏感安全要求、c.认知用户发射机的平均发射功率限制、d.认知用户发射机的峰值发射功率限制;步骤五、将待优化问题转化成等价的数学问题,得到其拉格朗日函数并进行求解;步骤六、根据凸包和概率传输理论得到数学问题的凸包算法;步骤七、通过该算法,把非凸的数学问题转化成等价的凸问题,然后使用凸优化理论对其求解,得到最优的功率分配方案。确立PU的统计时延QoS保障框架具体包括:基于统计队列分析理论,PU的统计时延QoS保障用队列长度门限违反概率来描述,其表达式如下:Pr{Qp≥Qthp}≤Pthp(1)Qp代表PS的队列长度,Qthp代表PS的预定义队列长度门限,Pthp代表所需的违反概率;将队列长度门限违反概率转化成相应队列时延门限违反概率,得到:Pr{Dp≥Dthp}≤Pthp(2)式中,Dp代表PS的队列时延,Dthp代表PS的预定义队列时延门限;根据大离差定理,PS的队列时延门限违反概率近似表达为式(3):式中,θP为PS的服务质量指数,为PS数据到达过程的有效带宽;有若式(2)成立,得到表达式(4):PS的统计时延QoS保障通过服务质量指数θP来定量的描述,DP和Dthp值越大导致θP值越小,反之Dp和Dthp值越小导致θP值越大,θP值较小意味着宽松的时延QoS要求,θP值较大意味着严格的时延时延QoS约束;当θP趋近于0,PS能够忍受任意长的时延,当θP趋近于无穷,PS不能忍受任意时延。对于一个具有随机数据离开速率过程本文档来自技高网
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一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法

【技术保护点】
一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、建立系统模型;所述的系统模型中包括主网PN和认知网CRN,其中主网PN的带宽资源为W,认知网CRN共享主网PN的一部分带宽资源而与之共存;所述的主网PN包括一个主用户发射机PS和一个主用户接收机PR,所述的认知网CRN包括一个认知用户发射机SS、一个认知用户接收机SR以及一个认知用户窃听接收机SE;其中PS‑PR,PS‑SR,PS‑SE,SS‑PR,SS‑SR,SS‑SE之间的信道增益分别表示为h

【技术特征摘要】
1.一种认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、建立系统模型;所述的系统模型中包括主网PN和认知网CRN,其中主网PN的带宽资源为W,认知网CRN共享主网PN的一部分带宽资源而与之共存;所述的主网PN包括一个主用户发射机PS和一个主用户接收机PR,所述的认知网CRN包括一个认知用户发射机SS、一个认知用户接收机SR以及一个认知用户窃听接收机SE;其中PS-PR,PS-SR,PS-SE,SS-PR,SS-SR,SS-SE之间的信道增益分别表示为hpp,hps,hpe,hsp,hss,hse;所有的信道增益服从瑞利衰落模型,所有的信道增益在每个帧长T内保持不变,在帧与帧之间独立变化,整个共存的网络增益定义为向量所述的主用户发射机PS以常功率PP发射数据,认知用户发射机SS的发射功率可变;步骤二、确立主用户PU的统计时延QoS保障框架;基于统计队列分析理论,在主用户发射机PS端建立一个队列,此队列具有恒定的数据到达速率RA及随机的数据服务速率Rp,使用队列长度门限违反概率来描述主用户PU的统计时延QoS要求;步骤三、确立认知用户SU的统计时延安全保障框架;在认知用户窃听接收机SE端建立一个队列,此队列具有随机的到达速率为B[t]及恒定的数据服务速率RE,使用队列长度门限违反概率来描述认知用户SU的统计时延敏感安全要求;步骤四、形成待优化问题:在最大化认知无线电网络的发射机的平均吞吐量的同时,满足:a.主用户发射机的统计时延服务质量要求、b.认知用户发射机的统计时延敏感安全要求、c.认知用户发射机的平均发射功率限制、d.认知用户发射机的峰值发射功率限制;步骤五、将待优化问题转化成等价的数学问题,得到其拉格朗日函数并进行求解;步骤六、根据凸包和概率传输理论得到数学问题的凸包算法;步骤七、通过该算法,把非凸的数学问题转化成等价的凸问题,然后使用凸优化理论对其求解,得到最优的功率分配方案。2.根据权利要求1所述认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,确立主用户PU的统计时延QoS保障框架具体包括:基于统计队列分析理论,主用户PU的统计时延QoS保障用队列长度门限违反概率来描述,其表达式如下:Pr{Qp≥Qthp}≤Pthp(1)Qp代表PS的队列长度,Qthp代表PS的预定义队列长度门限,Pthp代表所需的违反概率;将队列长度门限违反概率转化成相应队列时延门限违反概率,得到:Pr{Dp≥Dthp}≤Pthp(2)式中,Dp代表PS的队列时延,Dthp代表PS的预定义队列时延门限;根据大离差定理,PS的队列时延门限违反概率近似表达为式(3):式中,θP为PS的服务质量指数,为PS数据到达过程的有效带宽;有若式(2)成立,得到表达式(4):PS的统计时延QoS保障通过服务质量指数θP来定量的描述,DP和Dthp值越大导致θP值越小,反之Dp和Dthp值越小导致θP值越大,θP值较小意味着宽松的时延QoS要求,θP值较大意味着严格的时延时延QoS约束;当θP趋近于0,PS能够忍受任意长的时延,当θP趋近于无穷,PS不能忍受任意时延;对于一个具有随机数据离开速率过程的稳定系统,PS的服务速率过程有效容量的表达式(5)如下:PS持续的离开速率不小于恒定的到达速率,若满足下面的有效容量要求(6)式,PS的队列时延门限违反概率限制即得到满足;3.根据权利要求1所述认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,确立认知用户SU的统计时延敏感安全保障框架具体包括:通过在认知用户窃听接收机SE端建立一个随机的到达速率为B[t]的队列系统,用队列长度门限违反概率描述认知用户窃听接收机SE统计时延敏感安全,表达为:Pr{Qe≥Qthe}≤Pthe(7)式中,Qe代表认知用户窃听接收机SE端的队列长度,Qthe代表认知用户窃听接收机SE端队列的预定义队列长度门限,Pthe代表所需的违反概率;将队列长度门限违反概率转化成相应的队列时延门限违反概率,得到表达式(8):Pr{De≥Dthe}≤Pthe(8)De代表SE端队列的时延,Dthe代表SE端队列的预定义队列时延门限;De和Dthe的值越大意味着时延要求更宽松,De和Dthe值越小意味着时延限制越严格,根据大离差定理,SE的队列时延门限违反概率近似表达为式(9):式中,θe为时延敏感安全指数,为SE的数据到达过程的有效带宽,其表达式(10)如下:若表达式(8)成立,得到表达式(11):认知用户SU的安全要求通过时延敏感安全指数θe来定量的描述,De和Dthe值越大导致θe值越小,反之De和Dthe值越小导致θe值越大,θe值较小意味着安全要求越宽松,θe值较大意味安全要求越严格;当θe趋近于0,意味着SU对安全没有要求,当θe趋近于无穷,则意味着SU不能忍受一点不安全,根据有效容量理论,认知用户窃听接收机SE服务速率过程的有效容量记为则认知窃听用户接收机恒定的离开速率不小于持续的到达速率,若满足下面的有效容量要求(12)式,认知窃听用户接收机的队列时延门限违反概率限制即得到满足;基于主用户PU的统计时延QoS保障和SU的统计时延敏感安全约束的最优功率分配方案,其数学问题表达式的建立过程为:PR端的信号—干扰和噪声比为:SR端的信号—干扰和噪声比为:EVE窃听端的信号—干扰加噪声比为:PS的最大服务速率为:RP(h,Ps(θp,θe,h))=ln(1+γPR)(16)SS的最大服务速率为:Rs(h,Ps(θp,θe,h))=ln(1+γSR)(17)认知用户发射机信息泄露的速率记为B:4.根据权利要求1所述认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,形成待优化问题具体包括:把上述最大化问题转化为等价的最小化问题:(22)and(23)βp=WTθp,βe=WTθe。5.根据权利要求4所述认知无线网络中基于统计QoS保障的安全传输方法,其特征在于,构造(P2)式的拉格朗日函数:其中:因为和是等价的,直接对(32)式分析;情况1,if(γSR<γEVE),有γ0=γSR对拉格朗日函数求一阶导数,二阶导数,得情况2,elseif(γSR≥γEVE),有γ0=γEVE对拉格朗日函数求一阶导数,二阶导数,得

【专利技术属性】
技术研发人员:王熠晨徐文文任品毅杜清河孙黎高贞贞
申请(专利权)人:西安交通大学
类型:发明
国别省市:陕西,61

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