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与流程

本发明属于中继OFDM网络中的物理层安全技术领域，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。

背景技术：
：

目前，正交频分复用(Onhogonal Frequency Division Multiplexing，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。

技术实现要素：
：

本发明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，本发明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···D_N)、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。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，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。

本发明进一步的改进在于，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,......,s_M}，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，本发明具有如下的优点：

针对用户安全方面的应用场景，本发明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，本发明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，本发明基于中继策略选择的方式能获得更小的私密中断概率，且在中高信噪比下本发明与传统的两种方式之间的性能差异更显著。

进一步，针对组合优化问题，本发明将其转化为一个二分图的最大匹配问题，该问题可以用匈牙利算法加以解决，因为匈牙利算法在搜索最优解方面的优势，可以在获得最小的安全中断概率的前提下，减少计算的复杂度。

附图说明：

图1为中继OFDM网络的系统模型示意图。

图2为抽象的二分图。

图3为用户安全中断概率随信噪比SNR的变化图。

图4为用户安全中断概率随安全速率门限的变化图。

图5为用户安全中断概率随中继节点数目K的变化图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明考虑一个多用户中继OFDM网络的窃听信道模型，该中继OFDM系统具有M个相互独立的子载波，每个子载波只承担一个授权用户的数据，系统能够为了N个用户提供服务(N≤M)，假设现在系统中存在一个窃听者试图窃听N个用户的信息，假设中继节点采用混合中继协议，当中继节点距离源节点比较近，则该节点对可以选择译码转发的方式(Decode-and-Forward，DF)；如果中继节点距离目的节点比较近，则该节点对可以选择放大转发(Amplify-and-Forward，AF)的传输方式。

网络中所有数据的传输是以时隙化的方式进行的，每一个时隙又分成了两个子时隙。节点之间采用中继协作技术进行传输，则第一个时隙为源节点发射时隙，第二个时隙中继节点发送时隙。网络中所有的节点都是半双工的，即节点不能同时进行收发。一个中继节点可以同时在不同的可用频段上为多个源-目的节点对提供中继服务。为了兼顾公平性，一个源-目的节点对至多只能选择一个中继节点为其服务。可用信道假设服从平坦的瑞丽慢衰落。

本发明主要解决的问题是在多个子载波的中继OFDM网络中，进行联合的中继选择，中继转发策略选择，资源分配以使得整个网络中用户安全中断概率最小。为了更加准确地对问题进行数学建模，本发明中记0-1整数变量表示一个节点的联合策略选择，具体地，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。实变量表示在联合策略下，用户所获得的安全速率。记和分别表示节点i和节点j之间的第m条信道的信道系数和信道增益。在信道是瑞利衰落的假设下是均值为的指数分布随机变量，其中d_ij代表节点i和节点j之间的距离，α表示路径损耗因子。因此我们使用一个新的随机变量表示节点i和节点j之间在第m条信道上的等效信道增益，表示为

根据网络中的中继节点距离源节点和目的节点的位置不同，源-目的节点可译码转发模式和放大转发模式，这两种模式的安全速率可以表示为如下：

1)放大转发传输模式(AFM)：当中继节点在地理位置上更靠近目的节点时，有可能放大转发模式是一个比较不错的选择。在放大转发传输模式下，假设用户n工作在信道m上，本发明中使用0-1整数变量来表征源-目的节点对的选择，当时表示第n个用户选择第r个中继节点并工作在第i种中继模式下为自己服务。在目的节点使用最大比合并(MRC)的情况下，用户n能够获得的安全速率可以表示为：

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。

2)译码转发传输模式(DFM)：当中继节点比较靠近源节点的时候，固定译码转发可能会带来更好的性能。在固定译码转发模式下，源节点在第一个时隙给中继节点和目的节点广播信号，在第二个时隙中继节点解码源节点发送的信号，然后重新对信号进行编码发送给目的节点。固定译码转发能够获得的安全速率可以表示为：

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。

对应地，表征用户n是否处于中断状态的0-1变量需要更新为：

其中，R为判断用户是否中断的安全速率门限值。

整个网络多用户的安全中断概率可以重新表示为：

用户分别在第一时隙和第二时隙内没有干扰的约束条件，表达如下：

保证用户选择单一的工作模式的约束条件为：

综上，在有N个用户的中继OFDM网络中，联合考虑资源分配，中继选择，转发策略的问题可以建模成如下的安全中断概率优化问题：

这是一个组合优化问题，接下来我们将利用图论中的最大匹配算法来解决这个问题。

为了对本发明进一步的了解，先对本发明做出如下详细说明。

1、算法具体实施过程：

2、为了达到所提安全传输方法中协作OFDM网络中多用户安全中断概率最小的目标，要优化得到最佳中继策略选择、中继选择、资源分配即本发明中的从而使得公式(7)最小。为了求解该组合优化问题，本发明首先将其转化为图的最大匹配问题，最大匹配问题可以通过对中继策略、中继节点、资源分配的三维搜索遍历得到最优解，但是算法的复杂度较高，本发明提出利用匈牙利算法加以求解该问题。

为了应用匹配理论，必须将源-用户，中继及转发策略选择，信道抽象为一个二分图，以使得原问题能够用二分图的最大匹配理论来求解。图2给出了抽象之后的二分图。

本发明现在来构造一个二分图G＝(V∪S,E)，其中V表示所有的源-用户n的集合V＝{(s,d(n))|1≤n≤N}，S表示信道集合，S＝{s₁,s₂,......,s_M}，如果对于某个源-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。记构造的所有边的集合为E。顶点集合V和S的基数分别为N和M，因此构造过程是可以在多项式的时间内完成的，构造的二分图如图2所示，

利用二分图的匈牙利算法来求解上面的组合优化问题，该算法的具体过程为：

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,......,s_M}，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，T是不断更新的一个过程，其中A:＝A-{v}就代表这样的一个变化过程，A的集合大小是在不断变小的，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。

3、通过上面的匈牙利算法求解之后，协作OFDM网络得到了能够使网络中的多用户安全中断概率最小的联合策略组合，即在N个目的节点通过最优的策略组合可以得到最大匹配集合T，从而N个用户最小的安全中断概率为其中|T|代表不发生中断的用户数。

4、然后发送节点S以上述可以达到最大匹配集合T的联合中继协议策略及资源分配的最优解集合去发送信息，就可以使得协作OFDM网络中的多用户安全中断概率最小化。

为了验证本发明提出的策略的性能，本发明进行了如下仿真：

在这一部分本发明给出仿真结果来验证所提出的算法的有效性。为了简单起见，本发明的仿真侧重于验证算法的性能，对实际的系统有所简化。本发明设置仿真区域为1×1方形区域，这是对实际的系统距离的一种简化。信道的衰落为瑞利衰落，信道的增益的均值由节点之间的距离以及路径衰落指数决定。仿真中假设存在一个源节点，N对用户，K个中继节点它们均匀地分布在方形区域中。本发明的传输方法侧重点在于转发策略的选择，而转发策略的选择跟节点的位置分布有关，因此本发明仿真中一共生成了100个拓扑，每个拓扑图中进行1000次信道实现。具体的仿真参数的设置如下表，其余的参数在具体的仿真实现中给出。

表4-1主要参数表

图3给出了中继OFDM网络中用户的安全中断概率随着发送端信噪比SNR的关系，其中，中继节点的数目K＝6，用户的安全中断速率R＝1bit/s/Hz。该图表明，所提的算法在各种信噪比的情况下能够实现比译码转发传输和放大转发传输都要小的用户安全中断概率。同时，我们也可以发现，随着信噪比的变化，中继OFDM网络中放大转发传输和译码转发传输的性能在不断变化。

图4给出了用户的安全中断概率随安全中断速率门限的仿真结果，其中发射端信噪比SNR＝5dB，中继OFDM网络中的信道数M＝20，中继节点数目K＝6。从图中我们可以看出所提出的联合策略选择的方法能够在各种安全中断速率的条件下改善用户的安全中断概率性能。

图5给出了用户的安全中断概率随着中继节点数目K的变化趋势。其中用户的安全中断速率R＝1bit/s/Hz，用户发射端信噪比SNR＝10dB，从图中我们可以看到，随着中继节点的增多，译码转发策略能够带来更好的次级用户的性能。具体地，当中继节点的数目大于5的时候，译码转发的性能好于放大转发。这主要是因为，当中继节点的数目增多时，中继节点和次级用户之间信道条件好的信道数增多，而在信道条件好的情况下译码转发的性能优于放大转发。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。