一種基于最優(yōu)功率分配的安全協(xié)作中繼選擇方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于最優(yōu)功率分配的安全協(xié)作中繼 選擇方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雖然中繼協(xié)作技術(shù)給人類通信帶來了很多便利，但由于其傳播信道的開放性使得 安全傳輸問題也變得越來越突出。傳統(tǒng)保密手段以現(xiàn)代密碼學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過密鑰和加 密算法對信息進(jìn)行加密。但加密算法并不是完全不可破解的，只要竊聽者獲取足夠多的明 文，就可以采用窮舉攻擊的方法來破譯密碼，另外秘鑰也可能會被泄露，所以這種保密方式 遇到了很大的挑戰(zhàn)。與此相比，物理層信息安全技術(shù)完全依靠物理層的固有特性，如信道的 衰落特性和噪聲，來實(shí)現(xiàn)保密通信，具有更高的可靠性。
[0003] 基于物理層安全技術(shù)的中繼選擇方案的研宄近年來漸漸吸引了學(xué)術(shù)界的關(guān)注，已 有相關(guān)算法和方案被設(shè)計和提出。比如在帶有保密限制的條件下利用竊聽信道的即時信息 或者平均信息建立起來的機(jī)會中繼選擇方案，該種方案選擇合法鏈路與竊聽鏈路的即時信 噪比之比最大，或者合法鏈路的即時信噪比與竊聽鏈路的信噪比方差的比最大的那個中繼 來轉(zhuǎn)發(fā)信息?；蛘咭环N帶有干擾節(jié)點(diǎn)的中繼選擇方案，該方案在選擇中繼節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié) 點(diǎn)信息的同時，還選擇一個干擾節(jié)點(diǎn)來專門發(fā)送人為的干擾，以降低竊聽鏈路的通信質(zhì)量。 相關(guān)的方法還有不少，雖然這些方案已經(jīng)考慮到了物理層安全的問題，但是它們都沒有考 慮功率受限下情況下功率分配對中繼選擇的影響。因此，研宄最優(yōu)功率分配下的安全協(xié)作 中繼選擇是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，提供一種基于最優(yōu)功率分配的安全協(xié)作中繼選擇方 法和系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種基于最優(yōu)功率分配的安全協(xié)作中 繼選擇方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟S1，將安全協(xié)作通信系統(tǒng)中能成功譯碼源節(jié)點(diǎn)信號的中繼節(jié)點(diǎn)納入中繼節(jié)點(diǎn) 集合?;所述安全協(xié)作通信系統(tǒng)包括一個源節(jié)點(diǎn)、一個目的節(jié)點(diǎn)、N個中繼節(jié)點(diǎn)和R個竊聽 節(jié)點(diǎn)，所述安全協(xié)作通信系統(tǒng)采用Nakagami-m信道，假設(shè)能成功譯碼來自源節(jié)點(diǎn)信號的中 繼節(jié)點(diǎn)為M個，則M<N，M、N和R均為大于零的整數(shù)；
[0007] 步驟S2,測量并計算所需參數(shù)，所需參數(shù)包括所述中繼節(jié)點(diǎn)集合0中的中繼節(jié)點(diǎn) i到所述目的節(jié)點(diǎn)的鏈路在Nakagami-m信道下的波形參數(shù)、中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j 的鏈路在Nakagami-m信道下的波形參數(shù)mj^、中繼節(jié)點(diǎn)i到所述目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪 比均值以中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的平均功率參數(shù) 、Kt 以及竊聽節(jié)點(diǎn)j處的噪聲功率fed)2，其中所述中繼節(jié)點(diǎn)i表示中繼節(jié)點(diǎn)集合0中第i個 中繼節(jié)點(diǎn)，且i<M，竊聽節(jié)點(diǎn)j表示第j個竊聽節(jié)點(diǎn)，且j<R，i和j均為大于零的整數(shù)；
[0008] 步驟S3,根據(jù)步驟S2的計算結(jié)果，計算并選取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 中繼節(jié)點(diǎn)k為進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點(diǎn)k，且所述中繼節(jié)點(diǎn)k表示中繼節(jié)點(diǎn)集合0中 第k個中繼節(jié)點(diǎn)，k為大于零的整數(shù)且k<M。
[0009] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟S1中，所述竊聽節(jié)點(diǎn)為除所述源節(jié)點(diǎn)、所述中繼節(jié)點(diǎn)和所述目的 節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)，所述竊聽節(jié)點(diǎn)接收不到來自所述源節(jié)點(diǎn)的直接鏈路信號，所述竊聽 節(jié)點(diǎn)只能竊聽到來自所述中繼節(jié)點(diǎn)的信號，所述源節(jié)點(diǎn)、所述目的節(jié)點(diǎn)、所述中繼節(jié)點(diǎn)和所 述竊聽節(jié)點(diǎn)均配置導(dǎo)頻信道。
[0011] 進(jìn)一步地，步驟S3中，計算每個所述竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)kj，kj表示第 j個竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)；其中
[0014] Cfd為對應(yīng)第j個竊聽節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)i的安全容量，為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的 節(jié)點(diǎn)的鏈路的容量均值；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路的容量均值；B為安全協(xié) 作通信系統(tǒng)的帶寬；r()為伽馬函數(shù)；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路在Nakagami-m 信道下的波形參數(shù)；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的波形 參數(shù)；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami_m信道下的平均功率參數(shù)； 為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路的信噪 比；％為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比均值；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈 路的發(fā)射功率；^為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的平均功率限制；為中繼節(jié)點(diǎn)i 到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在竊聽節(jié)點(diǎn)j處的噪聲功率；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的 中斷門限 ；/ Nakagami-m信道 下；^>的概率密度函數(shù)；
[0015] 當(dāng)所述竊聽節(jié)點(diǎn)為一個時，此時R=l，j= 1，計算得出的該竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選 擇中繼節(jié)點(diǎn)ki即為所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k。
[0016] 進(jìn)一步地，當(dāng)所述竊聽節(jié)點(diǎn)為多個時，即R多2時，計算每個所述竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的 待選擇中繼節(jié)點(diǎn)kj;
[0017] 當(dāng)計算出的所有竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)相同時，則所有竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的 待選擇中繼節(jié)點(diǎn)即為所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k;
[0018] 當(dāng)計算出的所有竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)各不相同時，選擇待選擇中繼節(jié) 點(diǎn)中安全容量最大的中繼節(jié)點(diǎn)為所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k;
[0019] 當(dāng)計算出的所有竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)中有部分相同的待選擇中繼節(jié) 點(diǎn)時，求相同待選擇中繼節(jié)點(diǎn)的安全容量的和值以及剩余不相同待選擇中繼節(jié)點(diǎn)的安全容 量，選擇所述安全容量的和值或者安全容量值最大的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)為所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼 節(jié)點(diǎn)k。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟S3中，當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比值低于中斷門限 時，中繼節(jié)點(diǎn)i停止傳輸數(shù)據(jù)。
[0021] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一種技術(shù)方案如下：一種基于最優(yōu)功率分配的安全 協(xié)作中繼選擇系統(tǒng)，包括中繼節(jié)點(diǎn)集合構(gòu)建模塊、參數(shù)計算模塊以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)計 算模塊；
[0022] 所述中繼節(jié)點(diǎn)集合構(gòu)建模塊用于將安全協(xié)作通信系統(tǒng)中能成功譯碼源節(jié)點(diǎn)信號 的中繼節(jié)點(diǎn)納入中繼節(jié)點(diǎn)集合? ;所述安全協(xié)作通信系統(tǒng)包括一個源節(jié)點(diǎn)、一個目的節(jié) 點(diǎn)、N個中繼節(jié)點(diǎn)和R個竊聽節(jié)點(diǎn)，所述安全協(xié)作通信系統(tǒng)采用Nakagami-m信道，假設(shè)能成 功譯碼來自源節(jié)點(diǎn)信號的中繼節(jié)點(diǎn)為M個，則M<N，M、N和R均為大于零的整數(shù)；
[0023] 所述參數(shù)計算模塊用于測量并計算所需參數(shù)，所需參數(shù)包括所述中繼節(jié)點(diǎn)集合0 中的中繼節(jié)點(diǎn)i到所述目的節(jié)點(diǎn)的鏈路在Nakagami-m信道下的波形參數(shù)中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的波形參數(shù)中繼節(jié)點(diǎn)i到所述目的節(jié)點(diǎn) 的鏈路的信噪比均值中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的平均功 率參數(shù)以及竊聽節(jié)點(diǎn)j處的噪聲功率，其中所述中繼節(jié)點(diǎn)i表示中繼節(jié)點(diǎn)集合 ?中第i個中繼節(jié)點(diǎn)，且i<M，竊聽節(jié)點(diǎn)j表示第j個竊聽節(jié)點(diǎn)，且j<R，i和j均為大 于零的整數(shù)；
[0024] 所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)計算模塊用于根據(jù)所述參數(shù)計算模塊的計算結(jié)果，計算并 選取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k，所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)k為進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的中繼節(jié)點(diǎn)k，且 所述中繼節(jié)點(diǎn)k表示中繼節(jié)點(diǎn)集合?中第k個中繼節(jié)點(diǎn)，k為大于零的整數(shù)且k<M。
[0025] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0026] 進(jìn)一步地，所述竊聽節(jié)點(diǎn)為除所述源節(jié)點(diǎn)、所述中繼節(jié)點(diǎn)和所述目的節(jié)點(diǎn)之外的 其他節(jié)點(diǎn)，所述竊聽節(jié)點(diǎn)接收不到來自所述源節(jié)點(diǎn)的直接鏈路信號，所述竊聽節(jié)點(diǎn)只能竊 聽到來自所述中繼節(jié)點(diǎn)的信號，所述源節(jié)點(diǎn)、所述目的節(jié)點(diǎn)、所述中繼節(jié)點(diǎn)和所述竊聽節(jié)點(diǎn) 均配置導(dǎo)頻信道。
[0027] 進(jìn)一步地，計算每個所述竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)kj，kj表示第j個竊聽節(jié) 點(diǎn)對應(yīng)的待選擇中繼節(jié)點(diǎn)；其中
[0030] Cf>為對應(yīng)第j個竊聽節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)i的安全容量，為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的 節(jié)點(diǎn)的鏈路的容量均值；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路的容量均值；B為安全協(xié) 作通信系統(tǒng)的帶寬；r()為伽馬函數(shù)；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路在Nakagami-m 信道下的波形參數(shù)；?^^7).為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的波形 參數(shù)；>為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在Nakagami-m信道下的平均功率參數(shù)；以 為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比；為中繼節(jié)點(diǎn)i到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路的信噪 比；?為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的信噪比均值；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈 路的發(fā)射功率；$為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的平均功率限制；為中繼節(jié)點(diǎn)i 到竊聽節(jié)點(diǎn)j的鏈路在竊聽節(jié)點(diǎn)處的噪聲功率；為中繼節(jié)點(diǎn)i到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的中 斷門限；Z圳由
；/々(以)為Nakagami-m信道下 的概率密度函數(shù)；
[0031] 當(dāng)所述竊聽節(jié)點(diǎn)為一個時，此時R=l，j= 1，計算得出的該竊聽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的待選 擇中繼節(jié)點(diǎn)&