一種面向5g車聯(lián)網(wǎng)物理層安全的車載中繼簇功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于安全密文技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向5G車聯(lián)網(wǎng)物理層安全的車載 中繼簇功率分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的巨大進(jìn)步與生活水平的逐步提高，人們不再簡單的定義汽車為交通運(yùn) 輸工具與代步工具，汽車的安全性、環(huán)保性、舒適性以及娛樂性等方面的需求越來越大。這 些方面需求的急劇增加，導(dǎo)致車載通信的頻譜資源短缺、頻段擁擠、安全等問題日益突出。 而隨著第五代移動(dòng)通信（5G)的快速發(fā)展，其低時(shí)延、高可靠、頻譜高效利用等方面的性能 可以有效解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的問題，因此5G車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)與部署將勢(shì)在必行。
[0003] 認(rèn)知車載通信是5G車聯(lián)網(wǎng)的重要通信方式，指的車載終端利用額外的頻譜資源 進(jìn)行傳播信息，在不影響主用戶性能的前提下允許車載終端機(jī)會(huì)式地接入空閑頻譜，提高 頻譜資源利用率，為高密度車載信息的有效傳輸提供了可行的解決方案。與其他無線網(wǎng)絡(luò) 相比，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)往往需要預(yù)先估計(jì)授權(quán)系統(tǒng)（主用戶）可以接受的非授權(quán)用戶（次 用戶或認(rèn)知用戶）對(duì)其產(chǎn)生的干擾信號(hào)功率，這個(gè)干擾信號(hào)功率被稱為干擾溫度，這是認(rèn) 知無線電網(wǎng)絡(luò)中必須得到保證的一個(gè)重要服務(wù)質(zhì)量（QoS)指標(biāo)。
[0004] 認(rèn)知車載通信通過無線廣播通信，而無線通信的廣播特性易導(dǎo)致竊聽者獲取合法 用戶的通信信息，保障認(rèn)知車載通信的安全問題同樣引起廣泛的關(guān)注。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能 力的逐漸提高，尤其是量子技術(shù)的發(fā)展，獲取密文便可解密將成為可能。
[0005] 而物理層安全技術(shù)指的是充分利用無線通信物理層的特性，來阻止竊聽者獲取合 法信息，不論是明文信息還是密文信息，從源頭上保證了通信的絕對(duì)安全，隨著5G技術(shù)研 究的逐漸深入，高速移動(dòng)下的無線通信物理層特性將能精確獲取。因此，研究實(shí)現(xiàn)認(rèn)知車載 通信物理層安全的方法是必要與可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種面向5G車聯(lián) 網(wǎng)物理層安全的車載中繼簇功率分配方法。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明的一種面向5G車聯(lián)網(wǎng)物理層安全的車載中繼簇功率分配方法， 包括源車載終端、車載中繼簇、目的車載終端、若干可信主用戶終端和若干竊聽終端，且均 只配置單天線，分別記為 ST、SR= {SRpSRySRkhSDJU: {PUpPlV-PUj 與 EU= {EUp EUyEUj ;所述源車載終端發(fā)送源信息并指定中繼簇的功率分配；所述車載中繼簇由若干 可作為中繼的可信車載終端組成，車載中繼簇手機(jī)與各個(gè)接收端之間的信道狀態(tài)信息、轉(zhuǎn) 發(fā)源信息及人工噪聲，所述目的車載終端、可信主用戶終端和竊聽終端接收最終信息；
[0008] 具體包括以下步驟：
[0009] (1)選擇車載中繼簇選擇：源車載終端ST發(fā)送源信息前，從可作為中繼的可信車 載終端中選擇多個(gè)（根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定具體數(shù)量）作為中繼，構(gòu)成一個(gè)車載中繼簇SR，建立 源信息通過源車載終端-車載中繼簇-目的車載終端通信鏈路；
[0010] (2)構(gòu)建車載中繼簇功率分配的模型：源車載終端構(gòu)建以最小的車載中繼簇總功 率實(shí)現(xiàn)通信的物理層安全、低干擾與高可靠的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型中對(duì)主用戶終端產(chǎn)生 的干擾不會(huì)影響其性能，竊聽終端幾乎接收不到任何合法信息，且能保證目的終端正常接 收信息；
[0011] (3)計(jì)算車載中繼簇功率分配模型：針對(duì)建立的模型，通過半定規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行求 解，并利用二分法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，獲取車載中繼簇功率的具體分配；
[0012] (4)源車載終端指導(dǎo)車載中繼簇功率分配：源車載終端持續(xù)接收相關(guān)的信道狀態(tài) 信息，通過建模與計(jì)算問題模型得到具體分配方法后，將分配方法連同源信息一起廣播發(fā) 送，指定的車載中繼簇接收到信息之后，先對(duì)其進(jìn)行能量歸一化，再根據(jù)指定的功率分配方 法，放大轉(zhuǎn)發(fā)源信息的同時(shí)發(fā)送人工噪聲；
[0013] (5)接收端信息處理：主用戶終端PU、竊聽終端EU以及目的車載終端SD接收到相 應(yīng)的信息，分別計(jì)算干擾溫度INt與接收信噪比SINR SD、SINRey
[0014] 進(jìn)一步的，所述步驟（1)中，可加入車載中繼簇SR的可信車載終端標(biāo)準(zhǔn)為：
[0015] ㈧對(duì)接收到的信息以指定的功率進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)；
[0016] (B)能在發(fā)送放大信號(hào)的同時(shí)發(fā)送指定形式的人工噪聲；
[0017] (C)能利用主用戶的終端授權(quán)頻段與所有接收端建立通信鏈路；
[0018] (D)能評(píng)估與所有接收端在主用戶終端頻段上通信的信道狀態(tài)信息，將其量化發(fā) 送給源車載終端。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟（2)中，構(gòu)建車載中繼簇功率分配的模型具體方法為：
[0020] 首先選擇車載中繼簇SR，源車載終端預(yù)先假設(shè)車載中繼簇對(duì)接收到的信息進(jìn)行能 量歸一化后，進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)所需功率矢量為α，發(fā)送的人工噪聲矢量z的功率服從均值為 〇,協(xié)方差矩陣為Ε{ || ζ || 2} =Σ的高斯分布；利用獲得的信道狀態(tài)信息構(gòu)建公式（1)所述 的關(guān)于α、Σ的模型：
[0025] 上式中，目標(biāo)函數(shù)
表示最小化車載中繼簇SR的總發(fā)射功率Ptot，其中 Pt〇t= α Ηα +tr( Σ )；
[0026] 而SINK Φ，IN Γ和SINR SD> Ψ均為約束函數(shù)，分別表示為EU中的所有 竊聽終端的接收信噪比SINR^都必須低于實(shí)現(xiàn)物理層安全的閥值Φ、PU中各主用戶終端 處的最高干擾溫度INt都不高于影響主用戶性能的閥值Γ以及目的車載終端SD的接收信 噪比SINRsd要達(dá)到預(yù)期的閥值Ψ。
[0027] 進(jìn)一步的，所述步驟（3)中，計(jì)算車載中繼簇功率分配的模型的具體過程為：
[0028] (31)定義A = α α H，利用半定松弛技術(shù)忽略秩一條件，將原問題優(yōu)化成一個(gè)半定 規(guī)劃問題；
[0029] (32)利用內(nèi)點(diǎn)算法工具箱CVX對(duì)優(yōu)化后的半定規(guī)劃問題求解，獲得A與Σ ;
[0030] (33)若Α的秩恰好為1，進(jìn)行特征值分解得到α ;若Α的秩不為1，利用隨機(jī)化方 法得到近似解α %
[0031] (34)用二分法對(duì)上一步求的解進(jìn)行加權(quán)，加權(quán)因子λ e (〇, 1)，利用二分法 進(jìn)行搜索查找，直到3預(yù)1^在Ψ± ε之間，獲得更小的解α滿足公式（1)。
[0032] 進(jìn)一步的，在源車載終端獲得放大轉(zhuǎn)發(fā)所需功率矢量、人工噪聲矢量ζ的協(xié)方差 矩陣Σ后，所述步驟（4)中源車載終端采用如下流程指導(dǎo)中繼簇功率分配：
[0033] (41)源車載終端ST向車載中繼簇發(fā)送源信息以及建模與計(jì)算之后得到的 α與Σ，其中P。為源車載終端ST發(fā)送源車載信息發(fā)送功率，X為能量歸一化的合法信息；
[0034] (42)車載中繼簇SR接收源車載終端ST所發(fā)送的信息，該信息為：
[0035] YR = /巧+ nR，放大轉(zhuǎn)發(fā)所需功率矢量α、人工噪聲矢量ζ的協(xié)方差矩陣Σ， 其中f為SR與ST之間的信道衰落系數(shù)矢量，nR為車載中繼簇附近的加性高斯白噪聲；
[0036] (43)車載中繼簇SR先對(duì)其￥1?進(jìn)行能量歸一化，再通過指定的α與Σ在主用戶終 端的授權(quán)頻段上放大轉(zhuǎn)發(fā)源信息的同時(shí)發(fā)送人工噪聲，廣播的信息為D ( a ) D (L) YR+z，其中 L為能量歸一化向量。
[0037] 進(jìn)一步的，所述步驟（5)中，
[0038] 目的車載終端SD接收到的信息為Yg= g T[D ( a ) D (L) YR+z] +ng，其中，g為SR與SD 之間的信道衰落系數(shù)矢量，\為SD附近的加性高斯白噪聲；SD計(jì)算自身可獲得的接收信噪 比3預(yù)1^達(dá)到預(yù)期的閥值Ψ，保證其可