基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法技術

本發明專利技術公開一種基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，首先主用戶發送者在發送安全信息之前，優化設置信道增益門限，然后將自己的狀態廣播給主用戶接收者和所有次用戶發送者。接著，主用戶接收者向所有次用戶發送者廣播導頻信號。任意次用戶發送者利用導頻信號和最小二乘算法估計出其與主用戶接收者之間的信道增益，并根據該信道增益是否小于信道增益門限決定是否通信：信道增益大于信道增益門限的次用戶發送者保持靜默；信道增益小于信道門限的次用戶發送者允許通信。最后，主用戶發送者和特定的次用戶發送者同時在主用戶頻段上通信。本發明專利技術方法貼近實際系統，性能較好，能夠分布式實現。

Cognitive layer wireless network physical layer secure transmission method based on secondary user selection

The invention discloses a cognitive wireless network physical layer security transmission method based on user selection, the first main user sender before sending security information, optimization of channel gain threshold, and then broadcast their state to the main user receiver and sender all secondary users. Next, the primary user receiver broadcasts the pilot signal to all secondary user senders. Any time the user sender using the pilot signal and the least square algorithm to estimate the channel gain between the primary user and the receiver, and to decide whether the communication is less than the threshold of the channel gain channel gain: the user sender channel gain greater than the channel gain threshold keep silent; secondary users gain is less than the threshold of the sender channel channel allows communication. Finally, the primary user sender and the specific sub user sender simultaneously communicate on the primary user frequency band. The method of the invention is close to the actual system and has better performance and can be distributed and realized.

【技術實現步驟摘要】
基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法
本專利技術屬于認知無線網絡物理層安全
，涉及一種基于次用戶選擇的物理層安全傳輸方案。
技術介紹
認知無線電網絡(CognitveRadioNetwork,CRN)開放式、動態化的網絡框架，允許各式各樣的無線終端動態機會接入授權頻譜，明顯地提高了授權頻譜的利用效率。然而，這也導致CRN更容易受到惡意攻擊和竊聽，安全通信面臨巨大的安全隱患。現代密碼學體制建立在計算復雜度基礎之上，在物理層以上的各層協議中得到廣泛應用，是目前保障通信系統信息安全的主要手段。然而，現代密碼學體制正面臨著巨大的挑戰：隨著下一代無線網絡呈現出的異構性、多樣性、節點的移動性和拓撲結構的動態性等特點，對密鑰的在線分發與認證管理提出了更高要求。CRN開放式、動態化的網絡框架無疑使得現代密碼學體制中密鑰的在線分發與認證管理過程更加復雜，難以實現。為了彌補現有無線加密機制的不足、實現更高的安全性保障，物理層安全(PhysicalLayerSecurtiy，PLS)技術得到了廣泛的關注。物理層安全研究的起源可以追溯到Shannon的安全信息理論。1949年，Shannon指出系統的安全性取決于竊聽者能夠獲得的信息量。為了保證絕對安全，收發兩端安全密鑰的熵必須大于安全信息的熵。1975年，針對Wiretap竊聽模型，討論了在沒有安全密鑰條件下，利用信道的缺陷在物理層實現安全通信的可行性。這為信息安全保障提供了一種全新的思路，在物理層安全信息理論的發展史上產生了巨大的影響。從那以后，基于Wiretap竊聽模型的物理層安全研究層出不窮，將物理層安全信息理論進一步擴展到加性高斯白噪聲信道、無線衰落信道和多天線信道等更一般的信道場景。相較于現代密碼學體制，物理層安全與現有的物理層傳輸技術緊密結合，優勢明顯，是進一步提高無線網絡信息安全性的有效途徑。因此，物理層安全技術在CRN中的應用具有廣大的研究前景。目前，已有一些學者對CRN中的物理層安全增強技術進行了研究。增強物理層安全的基本思想是使主信道和竊聽信道之間產生巨大的差異。CRN中常用的增強物理層安全技術包括：人工噪聲技術、波束賦形技術和協同干擾技術等等。然而，這些常用的技術并未將CRN中存在的主、次用戶之間的干擾利用起來。實際上，在CRN中，當次用戶對竊聽者的干擾比對主用戶的干擾更嚴重時，次用戶傳輸對主用戶的安全通信是有益的。然而CRN中，如何利用次用戶傳輸提高主用戶的安全通信的研究還很不完善。一方面，目前CRN中的物理層安全傳輸研究，很少考慮竊聽者和用戶節點位置的未知性和隨機性，大都是在理想位置信息的假設下進行的，沒有考慮在未知節點位置信息下的物理層安全傳輸，實際系統中，如何獲得這些節點位置信息，尤其是竊聽節點位置信息，以及如何反饋和交互這些信息并不是一個簡單的問題。另一方面，現有的關于CRN中資源分配的研究大都沒有考慮如何利用主、次用戶之間的干擾來增強主用戶的安全通信，同時增加次用戶的通信機會，沒有提出一種簡單、有效并且便于實現的傳輸方案。在聯合考率這些問題之后，CRN中物理層安全傳輸問題也將變得更為復雜，也就更需要進行深入的考慮和研究。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對次用戶和竊聽者位置隨機分布的認知無線網絡，提供一種基于次用戶選擇的物理層安全傳輸方法。本專利技術采用的技術方案如下：一種次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，其特征是：系統由一對主用戶通信對，多個位置隨機分布的次用戶通信對和多個位置隨機分布的竊聽者組成，所有節點均配置單天線；主用戶安全傳輸方法按以下步驟進行：(1)主用戶發送者A在發送安全信息之前，廣播告知主用戶接收者B和所有次用戶發送者ΦS＝{Si}；(2)主用戶接收者B向所有次用戶發送者廣播導頻信號，任意次用戶發送者Si利用導頻信號和最小二乘算法估計出其與主用戶接收者B之間的信道增益當小于等于給定的最優信號增益門限δopt時，次用戶發送者Si處于激活狀態，能夠在主用戶頻段上發送信息，否則次用戶發送者Si保持靜默；(3)主用戶發送者A和處于激活狀態的次用戶發送者同時在主用戶頻段上實現通信。與現有技術相比，本專利技術具有如下優點及顯著效果：(1)貼近實際系統。現有的關于認知無線網絡物理層安全的研究大都是在竊聽者位置信息完全已知的假設下進行的，沒有考慮在竊聽者位置信息未知條件下安全傳輸方案的設計，因而都無法應用于實際系統。本專利技術從實際角度出發，考慮在竊聽者位置信息未知條件下安全傳輸方案的設計，因此更加貼近實際系統。(2)性能較好。本專利技術考慮了基于次用戶選擇的主用戶安全傳輸方案，較之現有的不考慮次用戶選擇安全傳輸方案能夠有效地提高系統的安全性能。(3)能夠分布式實現。現有的關于認知無線網絡中次用戶需要通過協同編碼減少對主用戶的干擾，次用戶間必須分享信道狀態信息，往往需要付出很高的信令開銷，大大增加了系統設計的復雜度。本專利技術從低復雜度、分布式實現出發，每個次用戶只需要知道本地的信道狀態信息，因此能夠分布式實現。附圖說明圖1為本專利技術的系統模型圖。圖2所示為本專利技術的流程圖。圖3所示為本專利技術主用戶安全吞吐量隨信道增益門限的變化曲線圖。具體實施方式一種基于安全保護域和次用戶選擇的物理層安全傳輸方案，系統模型參看圖1，系統中有一對主用戶通信對，多個位置隨機分布的次用戶通信對和多個位置隨機分布的竊聽者。另外，竊聽者竊聽主用戶通信，次用戶通信對和竊聽者位置分別服從獨立的均勻泊松點過程分布，節點密度分別為λS和λE；所有次用戶接收者采用相同的發射功率PS；所有通信信道和竊聽信道都服從準靜態瑞利衰落。基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法按以下步驟進行：第一步：信道增益門限δ的優化設置：1)求解主用戶的連接中斷概率、安全中斷概率和安全吞吐量；主用戶發送者A發送安全信息時，主用戶接收者B接收到信號的信干噪比(SignaltoInterference-plus-NoiseRatio,SINR)為其中，PA表示主用戶發送者A的發射功率，|hAB|2表示信道A→B的信道增益，d0表示A到B的距離，PS表示任意次用戶發送者的發射功率，表示信道Si→B的信道增益，表示Si到B的距離，α為信道衰落系數，N0表示主用戶接收者B處的噪聲方差。于是，主用戶的連接中斷概率可以表示為主用戶接收者B信干噪比小于特定門限的概率，即：其中，RB表示編碼傳輸速率。通過求解可以得到主用戶連接中斷概率的閉式表達式任意竊聽者Ej竊聽到信號的信干噪比(SignaltoInterference-plus-NoiseRatio,SINR)為其中，表示信道A→Ej的信道增益，表示A到Ej的距離，表示信道Si→Ej的信道增益，表示Si到Ej的距離，表示竊聽者Ej處的噪聲方差。由于竊聽者處的噪聲方差往往無法估計，于是采用一種常用的方法，將任意竊聽者處的噪聲方差設為0。于是，主用戶的安全中斷概率可以表示為至少有一個竊聽者處的信噪比大于特定的門限的概率，即：其中，RS表示安全信息速率，表示安全保護域外竊聽者的集合。通過求解可以得到主用戶安全中斷概率的閉式表達式主用戶的安全吞吐量定義為既安全又可靠的平均安全信息速率，可以表示為η＝(1-pco)(1-pso)RS(7)2)以主用戶安全吞吐量為目本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，其特征是：系統由一對主用戶通信對，多個位置隨機分布的次用戶通信對和多個位置隨機分布的竊聽者組成，所有節點均配置單天線；主用戶安全傳輸方法按以下步驟進行：(1)主用戶發送者A在發送安全信息之前，廣播告知主用戶接收者B和所有次用戶發送者Φ

【技術特征摘要】
1.一種基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，其特征是：系統由一對主用戶通信對，多個位置隨機分布的次用戶通信對和多個位置隨機分布的竊聽者組成，所有節點均配置單天線；主用戶安全傳輸方法按以下步驟進行：(1)主用戶發送者A在發送安全信息之前，廣播告知主用戶接收者B和所有次用戶發送者ΦS＝{Si}；(2)主用戶接收者B向所有次用戶發送者廣播導頻信號，任意次用戶發送者Si利用導頻信號和最小二乘算法估計出其與主用戶接收者B之間的信道增益當小于等于給定的最優信號增益門限δopt時，次用戶發送者Si處于激活狀態，能夠在主用戶頻段上發送信息，否則次用戶發送者Si保持靜默；(3)主用戶發送者A和處于激活狀態的次用戶發送者同時在主用戶頻段上實現通信。2.根據權利要求1所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，其特征是：次用戶通信對位置服從均勻泊松點過程分布。3.根據權利要求1所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方案方法，其特征是：竊聽者位置服從均勻泊松點過程分布。4.根據權利要求1所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方案方法，其特征是：所有次用戶接收者采用相同的發射功率。5.根據權利要求1所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方案方法，其特征是：所有通信信道和竊聽信道都服從準靜態瑞利衰落。6.根據權利要求1所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方法，其特征是最優信道增益門限δopt通過以下方法確定：1)求解主用戶的連接中斷概率、安全中斷概率和安全吞吐量；2)以主用戶安全吞吐量為目標函數，連接中斷概率和安全中斷概率為約束，優化設置信道增益門限，得到最優信道增益門限δopt。7.根據權利要求6所述的基于次用戶選擇的認知無線網絡物理層安全傳輸方案方法，其特征是步驟1)具體方法如下：主用戶發送者A發送安全信息時，主用戶接收者B接收到信號的信干噪比為其中，PA表示主用戶發送者A的發射功率，|hAB|2表示信道A→B的信道增益，d0表示主用戶發送者A到主用戶接收者B的距離，PS表示任意次用戶發送者的發射功率，表示信道Si→B的信道增益，表示次用戶發送者Si到主用戶接收者B的距離，α為信道衰落系數，N0表示主用戶接收者B處的噪聲方差；于是，主用戶的連接中斷概率表示為主用戶接收者B信干噪比小于特定門限的概率，即：其中，RB表示編碼傳輸速率；通過求解得到主用戶連接中斷概率的閉式表達式

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊煒偉，許曉明，蔡躍明，陶利偉，牟衛峰，管新榮，
申請(專利權)人：中國人民解放軍理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32