一种基于博弈论的提升D2D通信网络安全和质量的方法与流程

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及d2d用户通信的安全性，具体涉及一种基于博弈论的提升d2d通信网络安全和质量的方法。

背景技术：

device-to-device(d2d)通信作为下一代无线通信系统的核心技术之一，带动了无线蜂窝网络的发展。传统的蜂窝网络面临着资源分配紧张，频谱利用率难以进一步提高，在蜂窝用户密集情况下通信质量差等问题。而在蜂窝网络中加入d2d技术，使一部分终端节点成为d2d节点后，通过d2d网络与蜂窝网络的协作可以有效提高蜂窝网络的频谱利用率，进一步扩大蜂窝网络的覆盖范围，惠及蜂窝边缘原本信号较差的用户，并减少核心基站的管理和计算负担。整体上可以使蜂窝网络的性能得到显著提高。因此，d2d通信技术引起了业界的广泛关注。

d2d用户与蜂窝用户复用一段资源，d2d用户将可以直接接收到蜂窝网络的信号，这其中就会存在信号窃听的隐患。如公开号为cn104871444a、名称为“设备到设备(d2d)通信的合法监听”的发明公开了用于被提供给用户设备(ue)的邻近服务(例如，设备到设备(d2d)通信)的合法监听的技术。该方法可包括演进的节点b(enb)向第一ue发送邻近服务建立消息以建立与第二ue的d2d通信。enb可向第一ue或第二ue发送合法监听消息以提供d2d通信的合法监听。enb可从第一ue或第二ue接收与d2d通信相关联的分组。enb可将从第一ue和第二lie接收到的分组传输到核心网(cn)以进行复制。因此如果d2d用户为恶意的窃听者，并试图对截获的蜂窝用户信息进行破解，就会造成蜂窝用户信息的泄露。

技术实现要素：

本发明针对d2d通信与传统蜂窝网络结合时面临的窃听安全风险和基站小区的效率问题，提出一种基于讨价还价博弈的方法，兼顾传统蜂窝用户和d2d用户的收益，综合提高整个基站区域的性能。本发明使用了讨价还价博弈，考虑到了算法的计算时间因素，模型性能良好，具有较好的应用前景。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为一种基于博弈论的提升d2d通信网络安全和质量的方法，具体包含以下步骤：

步骤1：输入基本的协议定价区间、最大迭代次数作为阈值数据；

步骤2：基于上述阈值进行计算量的初始化；

步骤3：检查协议单价是否满足阈值条件和评估函数，如果满足则继续步骤4，如果不满足则跳转到步骤6，输出结果；

步骤4：检查当前迭代次数是否达到阈值，以及协议单价的运算过程是否满足计算约束，即此轮最优最低单价要小于此轮最优最高单价，如果满足则继续步骤5，如果不满足则跳转到步骤6，输出结果；

步骤5：根据当前迭代次数，得到衰退函数，以此计算此轮中的综合收益函数，得出此轮最优协议单价；

步骤6：输出计算结果，得到全局最优协议单价和最优迭代步数。

进一步，上述评估函数进行评估的过程为：

步骤1：输入单价区间和双方收益的阀值；

步骤2：判断双方收益是否大于阀值，如果大于则判断双方收益是否小于极小量，如果不大于则返回布尔值false；

步骤3：判断双方收益是否满足阈值，如果满足则返回布尔值true，否则返回布尔值false。

进一步，上述衰退函数满足：

1)是关于迭代次数的严格单调减函数；

2)当开始进行迭代时，衰退特性较为明显，以约束谈判双方尽快达成协议，而无法拖延；

3)当步数到达一定次数后，衰退性质逐渐减弱，当步数为正无穷大时，衰退函数为零，此时双方收益为零。

上述衰退函数可以根据使用者的应用场景，进行不同的设计。作为一种启发式的算法，可以考虑使用如下函数形式所述衰退函数为：

进一步，上述综合收益函数满足：

1)是关于d2d用户收益和蜂窝用户收益的复合函数；

2)当双方未达成协议时，双方各自收益之和小于双方达成协议时的系统总收益，即非零和博弈；

3)在定义区间内，综合效用函数至少存在一个极值点；

4)区间端点可能是极值点，但在评估函数的约束下一般较难取得。

需要说明的是，上述综合收益函数可以根据后续应用进行定制。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1，同时考虑到了蜂窝用户和d2d用户的收益，保障了了双方的公平性，并在整体上提升了基站小区的通信效率和安全性。

2，通过使用bargaininggame的思路，使得蜂窝用户和d2d用户能够就资源分配和激励机制达成协议，更加高效地利用基站的无线通信资源。

3，在算法实现中考虑到了协商过程的时间因素，通过约束使得双方能够尽快达成协议，减少了迭代次数，在实际应用中可以有效减少计算时间，较快地得出结果。

附图说明

图1为本发明的系统模型图；

图2为评估函数的流程图；

图3为迭代算法的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明针对d2d用户面临的窃听风险提出一种可以应用于d2d融入蜂窝网络的方法，能够较好地提升d2d用户通信的安全性，并通过激励机制，使得蜂窝用户也能够参与调度过程，使得蜂窝用户也能够提升通信效率，从而使得整个基站小区的网络性能得到提高。主要使用人工加扰的方式来恶化窃听信道，并使用bargaininggame方法来促使d2d和蜂窝用户达成协助协议，得到最优的干扰功率的单价。

本发明的系统模型如图1所示，本发明针对一个基站小区内存在多个d2d用户和蜂窝用户共存的情况，划分其为多个due(d2duserequipment)-to-cue(cellularuserequipment)对，对每个对进行研究，当每个对达到最优时，整个基站的效能也将最优。

系统中存在若干恶意的窃听节点，受害者是d2d用户的发送方，本发明使用相对应的蜂窝用户作为协助方，进行人工加扰(cuejammer)，恶化窃听者的窃听信道，实现保密容量所需的要求。

由于干扰节点的自私性，d2d用户必需给予蜂窝用户一定的好处，激励其加扰，其中，d2d用户关注的是自身安全性，蜂窝用户关注的是其通信效率，要同时满足双方的关切是困难的。双方各自的收益函数最终可以归约成对于干扰功率单价的权衡。

本发明使用bargaininggame的思想，促使双方以博弈的形式达成一项关于干扰功率单价的协议，并加入来谈判时常的影响，算法中体现为迭代次数，以此约束双方尽快达成协议，避免拖延。

本发明中主要涉及到以下几个函数：

1.评估函数

用户同时保障d2d用户和蜂窝用户收益的公平性，评估协议单价是否合理，评估的过程如图2所示。其伪代码实现过程为：

2.衰退函数

用于促使双方尽快达成协议，是一个时间上的约束因子。

3.综合收益函数

用户综合评价双方的收益，是基站宏观收益的一个体现，综合收益函数的构成如下所示：

其通过伪代码实现的过程如下：

1.变量名称：

λmin：协议谈判开始的最低单价；

λmax：协议谈判开始的最高单价；

nthreshold：迭代步数的阈值限制；

计算得到的最优单价；

n^*：计算得到的最少迭代步数；

ef：评估函数；

h：综合收益函数；

2.算法步骤如图3所示，如下：

步骤1)：输入基本的协议定价区间，迭代步数等阈值；

步骤2)：基于上述基本值进行计算量的初始化；

步骤3)：检查协议单价是否满足阈值条件和评估函数，如果满足继续步骤4，如果不满足跳转到步骤6，输出结果；

步骤4)：检查迭代次数是否达到阈值，以及协议单价的运算过程是否满足计算约束，即此轮最优最低单价要小于此轮最优最高单价，如果满足继续步骤5，如果不满足跳转到步骤6，输出结果；

步骤5)：根据当前迭代次数，得到衰退函数，以此计算此轮中的综合收益函数，得出此轮最优协议单价；

步骤6)：输出计算结果，得到全局最优协议单价和最优迭代步数。