中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，该方法采用的通信系统模型包括发送节点S、N个目的接收节点(D

【技术实现步骤摘要】
中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法
：本专利技术属于中继OFDM网络中的物理层安全
，具体涉及一种中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法。
技术介绍
：目前，正交频分复用(OnhogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术由于其频谱利用率高、抗多径衰落能力强、可以为用户提供高速的数据业务，而被广泛地应用于各种无线通信系统。为提高OFDM系统的安全性，传统的方法都是利用密钥加密机制对信息进行加密。但是，随着终端处理能力的提升，传统密钥加密机制对密钥的设计、分发和管理变得更加困难，实现难度越来越大。因此，已有不少文献研究如何从物理层角度为OFDM系统提供安全保障，有学者提出了一种差分编码方案使OFDM系统的信息传输具有低截获概率，文献分析了窃听端采用不同接收机时OFDM系统的保密容量，但上述研究主要是针对单用户OFDM系统而设计的。因为中继技术在物理层安全技术方面的优势，已经有学者对中继OFDM网络下的窃听信道模型进行了研究，研究表明可以通过中继选择、资源分配等技术获得中继OFDM网络安全吞吐量的最大化，但是该研究存在两个问题，第一个问题是最大化多用户中继OFDM网络的安全吞吐量没有考虑到多用户调度的公平性，可能造成信道状态好的用户一直占据着频谱资源而信道状态较差的用户迟迟无法接入网络，第二个问题是现有的中继OFDM节点大多只采用AF或DF中继协议，DF中继协议在低信噪比下性能较差而AF中继协议虽然转发方式比较简单，但是中继节点也放大了噪声信号，不利于用户对数据的正确接收。
技术实现思路
：本专利技术的目的是通过为协作中继和资源分配，进一步提升无线协作OFDM系统的安全性，提供了一种中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，以用户的安全中断概率这一能够反应用户调度公平性的指标来衡量网络的性能，能够在保证用户安全通信的前提下，最小化OFDM网络的中断概率，在实际中具有较大的应用价值。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案予以实现：中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，该方法采用的通信系统模型包括发送节点S、N个目的接收节点(D1···DN)、窃听节点Eve以及K个中继节点，该方法包括如下步骤：对于每一次数据的传输，在第一个时隙，发送节点S在经过中继策略选择和资源分配之后，将数据发送给中继节点；第二个时隙，选择K个中继节点中的一个作为转发节点，将在第一个时隙内收到的数据转发给目的节点D，同时窃听节点Eve窃听发送给N个用户的信息。本专利技术进一步的改进在于，中继节点根据自身的解码能力自适应地在AF或DF中继协议中进行切换，并且通过资源分配来进一步扩大合法信道与窃听信道之间信道质量的差异，保障多用户的信息传输安全，降低协作OFDM网络中多用户的安全中断概率。本专利技术进一步的改进在于，不同中继策略选择及资源分配时，用户n的安全容量不同，具体情况如下：当中继节点不能正确解码源节点发送的信息时，中继采用AF中继协议，并通过资源分配使得用户n工作在第m个子载波上并通过中继r转发信号，得到安全容量为：其中，表示用户n采用AF中继模式，选择第r个中继节点，工作在第m个子载波上所获得的安全速率，γ0是发送功率与噪声功率的比值，表示节点i和节点j之间的第m条信道的等效信道增益；当中继节点能够正确解码出源节点发送的信息时，中继采用DF中继协议，并通过资源分配使得用户n工作在第m个子载波上并通过中继r转发信号，得到安全容量为：其中，表示用户n采用DF中继模式，选择第r个中继节点，工作在第m个子载波上所获得的安全速率，γ0是发送功率与噪声功率的比值，表示节点i和节点j之间的第m条信道的等效信道增益。本专利技术进一步的改进在于，使得多用户的安全中断概率最小，为了分析多用户安全中断概率这一性能指标，定义用户n安全中断概念，当用户n的安全速率低于安全速率门限时，定义用户n安全中断，具体如下：定义一个安全速率门限R，当用户n可达的安全速率小于定义的安全门限R时用户安全中断，具体标准为：其中，代表用户n是否中断的0-1变量。本专利技术进一步的改进在于，优化基于混合中继策略和资源分配的组合优化问题，使得OFDM网络多用户的安全中断概率最小化：其中，表示第n个用户选择第r个中继节点和第i种中继协议，并工作在第m条信道上，K代表中继节点数，Q代表中继协议数目，M代表子载波数目，N代表N个目的节点；为了最小化多用户的安全中断概率，将该基于混合中继策略选择及资源分配的组合优化问题转化成一个二分图的最大匹配问题，然后利用匈牙利算法求得N个用户的最大匹配集合T，从而得到最小化N个用户的安全中断概率为其中|T|代表不发生中断的用户数。本专利技术进一步的改进在于，利用匈牙利算法求得N个用户的最大匹配集合T，具体如下：1)根据网络当前的状态构造二分图G＝(V∪S,E)：V＝{(s,d(n))|1≤n≤N}，S＝{s1,s2,......,sM}，如果对于源-目的节点对v∈V，存在一个中继节点和一种传输策略使在信道s∈S提供的安全速率超过安全中断速率门限R，那么用一条边连接v和s；2)任取图G的一个匹配T，设V中非饱和的点的集合为A；3)若则停止，输出当前的匹配T就是最大匹配；否则，任取A中的一个非饱和点v∈A，记P:＝{v}，转下一步；4)如果P的相邻顶点集合是Q的子集，即则不存在从v出发的T增广路，将v从集合A中移除，A:＝A-{v}，转至步骤2)；否则，取u∈N(P)-Q，转下一步；5)如果u是T饱和的，设边(u,z)∈T，令P:＝P∪{z}，Q:＝Q∪{u}，转至步骤4)，否则，获得一条T增广路Path(v,u)，令A:＝A-{v}，转至步骤3)；当时，说明匈牙利算法已经遍历了所以非饱和节点集合A并找不到多余的增广路径Path，从而达到最大的匹配T，其中A:＝A-{v}，当为空集时，算法循环结束，输出此时更新的最大匹配集合T。与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点：针对用户安全方面的应用场景，本专利技术综合利用了协作中继和资源分配的技术优势，比如通过中继节点的选择和子载波资源的合理分配，能够人为改善源节点与N个目的节点之间的通信链路的信道质量而恶化源节点与窃听者Eve之间的通信链路的信道质量，从而获得较大的安全速率，这样N个用户就不会低于所设的安全中断门限值R而发生通信中断，从而能够使得N个用户的安全中断概率最小。进一步，针对混合中继策略选择，本专利技术可以自适应地根据中继节点能否正确解码出源节点S发送的信号而决定采用AF或DF协议，从而克服了单纯使用AF或DF中继协议的不足，原因如下：如果中继节点单纯使用AF协作协议时，中继节点把从源节点处接收到的消息放大后发送给目的节点，这样会造成中继节点在将其收到的源节点信号转发出去的同时，也会放大了噪声信号，从而不利于目的节点正确接收数据。相同地，如果中继节点单纯使用DF协作协议，当源节点与中继节点之间信道状况较差时，中继节点不能正确解码源节点的信息，则会发生中继节点将错误译码的信息转发给目的节点的情况，从而会降低系统的性能。相比于传统的单纯使用AF或DF方式带来的不足，本专利技术基于中继策略选择的方式能获得更小的私密中本文档来自技高网...

【技术保护点】
中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，其特征在于，该方法采用的通信系统模型包括发送节点S、N个目的接收节点(D

【技术特征摘要】
1.中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，其特征在于，该方法采用的通信系统模型包括发送节点S、N个目的接收节点(D1···DN)、窃听节点Eve以及K个中继节点，该方法包括如下步骤：对于每一次数据的传输，在第一个时隙，发送节点S在经过中继策略选择和资源分配之后，将数据发送给中继节点；第二个时隙，选择K个中继节点中的一个作为转发节点，将在第一个时隙内收到的数据转发给目的节点D，同时窃听节点Eve窃听发送给N个用户的信息。2.根据权利要求1所述的中继OFDM网络中基于中继策略选择及资源分配安全传输方法，其特征在于，中继节点根据自身的解码能力自适应地在AF或DF中继协议中进行切换，并且通过资源分配来进一步扩大合法信道与窃听信道之间信道质量的差异，保障多用户的信息传输安全，降低协作OFDM网络中多用户的安全中断概率。3.根据权利要求2所述的协作OFDM系统中基于中继策略选择和资源分配的安全传输方法，其特征在于，不同中继策略选择及资源分配时，用户n的安全容量不同，具体情况如下：当中继节点不能正确解码源节点发送的信息时，中继采用AF中继协议，并通过资源分配使得用户n工作在第m个子载波上并通过中继r转发信号，得到安全容量为：其中，表示用户n采用AF中继模式，选择第r个中继节点，工作在第m个子载波上所获得的安全速率，γ0是发送功率与噪声功率的比值，表示节点i和节点j之间的第m条信道的等效信道增益；当中继节点能够正确解码出源节点发送的信息时，中继采用DF中继协议，并通过资源分配使得用户n工作在第m个子载波上并通过中继r转发信号，得到安全容量为：其中，表示用户n采用DF中继模式，选择第r个中继节点，工作在第m个子载波上所获得的安全速率，γ0是发送功率与噪声功率的比值，表示节点i和节点j之间的第m条信道的等效信道增益。4.根据权利要求2或3所述的协作OFDM系统中基于中继策略选择和资源分配的安全传输方法，其特征在于，使得多用户的安全中断概率最小，为了分析多用户安全中断概率这一性能指标，定义用户n安全中断概念，当用户n的安全速率低于安全速率门限时，定义用户n安全中断，具体如下：定义一个安全速率门限R，当用户n可达的安全速率小于定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，周先文，杜清河，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61