一种基于联盟形成的分布式中继选择方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及物理层安全领域，特别涉及提升物理层安全性能技术中的一种基于联 盟形成的分布式中继选择方法。
【背景技术】
[0002] 当前，协作通信逐渐成为一种热门的新型通信方式，而中继节点选择是其关键技 术之一，直接决定了协作能带来多少系统增益。时隙总功率受限的协作网络中继选择问题 已经被多次研宄，其研宄重点主要集中于功率的最优化分配和中继选择算法。
[0003] 中继选择算法的执行方式主要可分为集中式和分布式两种。集中式算法是指将所 有需要的信息集中到某一中心节点，例如基站，然后中心节点利用这些信息执行中继选择 算法并将结果反馈给相应节点。其优点在于集中式算法是从全局统筹规划，使得系统工作 在全局最优状态，适用于有固定设施支撑的网络中（如蜂窝网）。而分布式算法则是依赖于 备选节点间信息的互换和相互协调，由节点自行判断是否加入协作节点的行列。其优点在 于分布式算法分散了单一节点通信的开销和计算的复杂度，其对应的结果往往是局部最优 解，适用于无固定设施支撑的网络中（如AdHoc网络）。
[0004] 文献已经就类似于上述的窃听信道中继选择模型给出了众多集中式选择算法，主 要包括有干扰最优选择（OSJ)，最优切换选择（OW)，有干扰次最优选择（SSJ)，次最优切换 选择（SW)和干扰控制最优选择（OSCJ)。
[0005] 同时，协作节点个数的确定也是当前的一个热门问题。上述所有集中式算法都是 事先确定了将要选择的节点个数，并在该条件下选择出相应个数的最优节点。那么如何在 不适用集中式中继选择算法的协作通信网络中选择最优数量的协作节点便成为了一个重 要的研宄课题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的旨在解决上述技术问题，特别是针对提升含有窃听信道的多中继协 作通信系统物理层安全性能。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提出了一种用于提升物理层安全性能的基于联盟形成 的分布式中继选择方法，包括如下步骤：
[0008] Sl:判断该多中继协作通信系统中中继选择问题所属的联盟博弈类型；
[0009] S2 :中间节点根据瞬时信道条件选取自身角色；
[0010] S3 :按顺序遍历执行一轮合并算法和一轮分裂算法；
[0011] S4 :根据步骤S3形成的最新联盟划分重复执行步骤S3直至最终收敛于某一稳定 联盟结构；
[0012] S5 :源节点在可提供最大安全速率的节点组合协助下安全发送信息。
[0013] 进一步的，所述多中继协作通信系统是由一个信息源节点Stl，一个目的节点D，一 个恶意窃听节点E以及k个中间节点Tmid={TpT2, ...，Tk}组成的TDM上行链路，节点采 用单向单天线，半双工工作模式，且源节点与窃听节点和目的节点之间无直接链路，时隙传 输分为两个阶段：信息广播阶段，源节点将信息广播发送至所有中间节点；中继协作转发 阶段，若干被选中的中间节点分别向目的节点和窃听节点发送信号。
[0014] 进一步的，所述多中继选择问题包括：中继选择的目标是从若干中间节点中选出 一个中继节点R和若干协作干扰节点{Jj，ieK，K= {1，2，...，k}，其中，R采用译码前传 策略（DF)转发源信息，{JJ向目的节点和窃听节点发送干扰信号以增加主信道和窃听信道 的性能差距；
[0015] 当时隙总功率固定，源节点Stl可看作"买家"，希望借助协作干扰节点和中继节点 的帮助获得最大安全速率；中间节点可看作"卖家"，为源节点Stl提供该"服务"，同时得到相 应的"报酬"，最终选择的是能够为Stl提供最大安全速率的中继和协作干扰节点的组合，由 于节点间存在上述潜在的合作与竞争关系，因此我们可以将该中继选择问题看作一个联盟 博弈问题。
[0016] 进一步的，所述联盟博弈问题进一步包括：可将上述中继与协作干扰节点的组合 称为一个联盟，联盟效用函数V(S)表示联盟所获"报酬"，该效用根据各节点对总安全速率 值贡献的大小在联盟各节点之间分配，因此中继节点R和协作干扰节点Ji，ieK，的效用函 数分别为：
[0017] Ue=Cs(R),
[0018] Uji =(；(/?,{{./,},/^})-(；(/?,{{.A\,keK,k^i}),
[0019] 其中Cs(R)和Cs(R，{Jk})分别为只有中继R协助转发时和同时具有协作干扰节点 协助时的安全容量。
[0020] 进一步的，所述效用函数包括：根据系统参数得到节点对应效用函数，所述系统参 数包括：
[0021] 广播信道、中继转发信道和窃听信道的增益Sm、gKD和gKE，协作干扰节点Ji到目 的节点和窃听节点的增益和^^，ieK，瑞利衰落环境中，信道增益由路径损耗和满足 均值为零、方差为一的瑞利衰落系数组成，路径损耗满足cT，d为信道中两节点之间距离， 主信道和窃听信道上的热噪声信号满足均值为零、方差为〇 2的独立高斯分布，信道带宽为 W,
[0022] 所述联盟效用函数为：
【主权项】
1. 一种基于联盟形成的分布式中继选择方法，包括如下步骤： 51 :判断该多中继协作通信系统中中继选择问题所属的联盟博弈类型； 52 :中间节点根据瞬时信道条件选取自身角色； 53 :按顺序遍历执行一轮合并算法和一轮分裂算法； 54 :根据步骤S3形成的最新联盟划分重复执行步骤S3直至最终收敛于某一稳定联盟 结构； 55 :源节点在可提供最大安全速率的节点组合协助下安全发送信息。
2. 如权利要求1所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述多中 继协作通信系统是由一个信息源节点Stl，一个目的节点D，一个恶意窃听节点E以及k个中 间节点Tmid= IT i，T2, ...，Tk}组成的TDM上行链路，节点采用单向单天线，半双工工作模 式，且源节点与窃听节点和目的节点之间无直接链路，时隙传输分为两个阶段：信息广播阶 段，源节点将信息广播发送至所有中间节点；中继协作转发阶段，若干被选中的中间节点分 别向目的节点和窃听节点发送信号。
3. 如权利要求1所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述多中 继选择问题包括： 中继选择的目标是从若干中间节点中选出一个中继节点R和若干协作干扰节点UJ， 1￡1(，1(={1，2，...，1^}，其中，1?采用译码前传策略转发源信息，{^}向目的节点和窃听节 点发送干扰信号以增加主信道和窃听信道的性能差距； 当时隙总功率固定，源节点Stl可看作"买家"，希望借助协作干扰节点和中继节点的帮 助获得最大安全速率；中间节点可看作"卖家"，为源节点Stl提供该"服务"，同时得到相应 的"报酬"，最终选择的是能够为Stl提供最大安全速率的中继和协作干扰节点的组合，由于 节点间存在上述潜在的合作与竞争关系，因此我们可以将该中继选择问题看作一个联盟博 弈问题。
4. 如权利要求3所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述联盟 博弈问题进一步包括： 可将上述中继与协作干扰节点的组合称为一个联盟，联盟效用函数V(S)表示联盟所 获"报酬"，该效用根据各节点对总安全速率值贡献的大小在联盟各节点之间分配，因此中 继节点R和协作干扰节点Ji, i e K，的效用函数分别为： Ue=Cs(R), Uj =C (/?,{{./,\,k G /^j)-C (/?,{{./- e 其中Cs(R)和Cs(R，{Jk})分别为只有中继R协助转发时和同时具有协作干扰节点协助 时的安全容量。
5. 如权利要求4所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述效用 函数包括： 根据系统参数得到节点对应效用函数，所述系统参数包括： 广播信道、中继转发信道和窃听信道的增益gK#P gKE，协作干扰节点1到目的节 点和窃听节点的增益S'#和心>，i e K，瑞利衰落环境中，信道增益由路径损耗和满足均值 为零、方差为一的瑞利衰落系数组成，路径损耗满足cT，d为信道中两节点之间距离，主信 道和窃听信道上的热噪声信号满足均值为零、方差为σ 2的独立高斯分布，信道带宽为W， 所述联盟效用函数为：
其中ε κ根据联盟有无包含中继节点分别取1和〇,节点功率满足固定的分配关系， 所述只有中继R协助转发时和同时具有协作干扰节点协助时的安全容量分别为： Cs(R) = (Ced(R)-Cee(R))+, Cs (R, (Jj) = [CED (R, {JJ)-Cee (R, {Jj)]+, 其中Ced (R)、Cke (R)及Ckd (R，{Jj)、Cke (R，{Jj)分别为对应情况下主、窃听信道容量。
6. 如权利要求1所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述判断 该中继选择问题所属的联盟博弈类型包括： 判断所述中继选择问题对应的可转移效用联盟博弈（Tmid，V)是否满足超可加性。
7. 如权利要求1所述的基于联盟形成的分布式中继选择方法，其特征在于，所述步骤 S3包括： 531 :根据当前联盟划分计算潜在合作组的联盟效用值和节点效用值； 532 :基于S31计算结果完成一轮联盟合并算法，每一个用户或联盟决定是否与其他联 盟合并成为新联盟； 533 :根据S32得到的合并结果，重新计算潜在合作组的效用值，完成一轮分裂算法，每 一个联盟决定是否分裂为若干小联盟。
【专利摘要】本发明涉及一种基于联盟形成的分布式中继选择方法，属于物理层安全领域技术领域。该基于联盟形成的分布式中继选择方法，包括如下步骤：S1：判断该多中继协作通信系统中中继选择问题所属的联盟博弈类型；S2：中间节点根据瞬时信道条件选取自身角色；S3：按顺序遍历执行一轮合并算法和一轮分裂算法；S4：根据步骤S3形成的最新联盟划分重复执行步骤S3直至最终收敛于某一稳定联盟结构；S5：源节点在可提供最大安全速率的节点组合协助下安全发送信息。本发明具有分布式执行特点，解决了无中心节点网络中的中继选择问题，并且更有效得到最优的中间节点合作组。
【IPC分类】H04W88-10, H04W48-20
【公开号】CN104853415
【申请号】CN201510163046
【发明人】王保云, 胡志凌
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月7日