一种基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法与流程

本发明属于认知无线网络的物理层安全技术领域，涉及一种基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法。

背景技术：

认知无线电网络作为一个能够有效提升网络频谱利用效率的关键技术近几年已经引起了极大的关注。与其他网络类似，安全问题也是认知无线电网络中的一个关键问题。传统安全方案是在网络层通过公私密钥对数据进行加密，往往以复杂度换取安全性，并且在实际网络部署中密钥的分发管理也存在很多问题。因此，作为上层加密方法的一种补充，物理层安全技术近几年得到了国内外的广泛关注。回顾物理层安全技术的发展历程，首先是香农在他的保密系统的通信理论中证明了存在最优的保密通信系统，这种系统应当采取一字一密的方式进行加密。接着Wyner进一步引入了窃听信道模型，证明了当窃听信道是合法信道的退化信道时，就存在不泄露给窃听者任何信息的保密方法。可是，当合法接收者的信道条件比窃听者的信道条件还差时，安全通信就不能得到保证。为了克服该问题，利用协作通信的特点及其优势，有研究人员开始对各种中继窃听信道模型进行了研究，研究表明可以通过中继选择、中继波束成形等技术获得最大的私密容量。可是，尽管中继节点可以帮助源节点转发信号从而提高源节点的安全，但是实际中节点可能都是自私的，如果节点不能够从协作通信中获得收益，它可能不愿意消耗功率帮助源节点转发信号。所以针对该问题Keonkook基于频谱租赁的概念，提出了一个新的协作方案，具有多根天线的次级用户通过预编码处理之后可以与主用户同时传输数据，但是对预编码处理的要求是，它要尽可能对窃听者造成大的干扰的而对合法接收者造成小的干扰，利用干扰来保障主用户的安全。另一方面由于中继通信的技术优势，有学者将频谱租赁的方法引入到了认知中继网络中，主用户发射机可以从若干次级用户中选择一个作为中继节点，再选择一个次级用户作为干扰机，以此来提高主用户的安全性。这些基于协作通信技术方案的缺点是，次级用户发射机只能被动的接受主用户发射机给予它的传输速率，而不能主动参与到决策中。

为了克服上述问题，利用斯塔克伯格博弈论来建模主次用户的博弈，已经有学者考虑了存在一个主用户对，N对次级用户对的认知无线电网络场景，当存在窃听者试图窃听主用户的信息，为了保障主用户的安全通信，主用户从N对次级用户中选择一个作为中继来提高主用户的安全，作为回报主用户给予次级用户接入频谱的机会，该方案使用了斯塔克伯格博弈论来建模主用户与次级用户的博弈过程，最终主用户与次级用户通过博弈可以得到纳什均衡点，从而获得各自最大的收益。

但是上述方案存在的一个问题是，因为在认知无线电网络下主用户的安全通信通常都受到能量效率有限的制约，所以能量效率对于延长主用户的生命周期具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法，该信息传输方法能够有效的提高主用户的能量效率，延长认知无线电网络的生命周期。

为达到上述目的，本发明所述的基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法包括以下步骤：

1)设认知无线电模型中有一个主用户及N个次级用户，主用户及每个次级用户均配有单根天线且工作在半双工模式下，获取主用户的最优发射功率P_s^*、主用户的最优安全能量效率ξ^*、主用户的最大安全传输速率U_P、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率P_r^*及最优次级用户的最大传输速率U_si；

2)主用户的发射端以主用户的最优发射功率P_s^*、主用户的最优安全能量效率ξ^*及主用户的最大安全传输速率U_P进行信息的发射，主用户的接收端及最优次级用户的接收端进行信息的接收，最优次级用户的发射端将其接收端接收到的信息以最优次级用户的最优发射功率P_r^*进行转发，主用户的接收端接收最优次级用户的发射端发射过来的信息，并将最优次级用户的发射端发射过来的信息与主用户的发射端发射过来的信息进行合并，并将合并后的信息作为主用户最终的接收信息；

3)最优次级用户获取接入频谱，然后利用接入频谱以最优次级用户的最大传输速率U_si进行信号的传输，完成基于协作通信的高安全能量效率的信息传输。

步骤1)中计算主用户的最优发射功率P_s^*、主用户的最优安全能量效率ξ、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率P_r^*的具体操作为：

设P_s为主用户的发射功率，P_r为次级用户的发射功率，则主用户发射端的安全能量效率ξ(P_s,P_r)为：

建立以主用户发射端的安全能量效率最高为目的的优化问题，即

其中，为次级用户SU_i的最大功率限制；

设次级用户SU_i满足R_r≥R₀的限制条件，R₀为正确解码门限，则主用户的最优发射功率为：

则式(2)中的优化条件可以转化为：

设与参数规划问题max{R(x)-ξP(x):x∈S}最优求解是等价的，分式规划取最大值时，当且仅当max{R(x)-ξ^*P(x):x∈S}＝0；

则优化问题可以转换为寻到ξ^*,使式(5)成立，其中，

max{F(ξ,P)＝R_sec(P)-ξP_tot(P):P∈S}＝0 (5)

其中，ξ为主用户的安全能量效率，P＝(P_s,P_r)；

根据Dinkelbach方法将式(5)转化为：

其中，i为第i次迭代，ξ_i为第i迭代时主用户的安全能量效率；

设置ξ_i的初始化值ξ₀，再对F(ξ,P)＝R_sec(P)-ξP_tot(P):P∈S进行迭代，当|F(ξ_i,P^*(ξ_i))|≤ε，迭代完成，得主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率其中，最优次级用户为主用户的安全能量效率为最优时对应的次级用户，ξ_i的更新函数为：

P^*(ξ_i)为第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率构成的集合。

求解第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率的具体操作为：

设当函数B(x)和D(x)为凸集上的可微凸函数时，函数形式如min{F(x)＝B(x)-D(x):x∈S}的DC规划优化问题可以等价的由迭代解决，其中，为梯度函数；

则当ξ_i固定时，由式(6)得

min{-F(ξ_i,P)＝B(P)-D(P):P∈S} (7)

由式(7)得：

-F(ξ_i,P)＝B(P)-D(P) (8)

由于B(P)及D(P)均为凸函数，并且S集合为凸的，则式(7)为典型的DC规划问题，式(7)可以转换为：

其中，梯度函数为：

然后采用迭代的方式求解式(11)，得第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率，其中，迭代收敛的条件为：

|-F(ξ_i,P_k)+F(ξ_i,P_k-1)|≤τ (13)

其中，τ>0为迭代收敛截止常数，P_k为第k迭代时的功率分配。

次级用户SU_i的效用函数为：

其中，θ为功率消耗的代价因子；

主用户通过优化时隙划分因子α使得主用户的安全速率收益函数最大，其中，

然后通过主用户与次级已过户进行博弈，得次级用户的最大传输速率U_si与主用户的最大安全传输速率U_P的均衡点及其对应的时隙划分因子α。

主用户的发射端以主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*及主用户的最大安全传输速率U_P进行信息的发射，主用户的接收端接收到的信息及最优次级用户的接收端接收到的信息y_r分别为：

最优次级用户的发射端将其接收端接收到的信号以最优次级用户的最优发射功率进行转发，主用户的接收端接收最优次级用户的发射端发射过来的信息为：

主用户最终的接收信息R_d为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法再具体操作时，通过在N个次级用户中选取一个最优次级用户，同时获取主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*、主用户的最大安全传输速率U_P、最优次级用户的最优发射功率及最优次级用户的最大传输速率U_si，再根据频谱租赁的思想，主用户的发射端以主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*及主用户的最大安全传输速率U_P进行信息的发射，主用户的接收端及最优次级用户的接收端进行信息的接收，最优次级用户的发射端对接收到的信息以最优次级用户的最优发射功率进行转发，主用户接收到最优次级用户发射过来的信息后将两次接收到的信息进行合并，得到最终的接收信息，最优次级用户再以最优次级用户的最大传输速率U_si进行信息的传输。相对于传统只考虑主用户的安全速率最大化，本发明综合考虑主用户的安全传输速率最大化及最优次级用户的传输速率最大化，从而显著的提高主用户的能量利用率，延长认知无线电网络的生命周期。

进一步，本发明通过两次迭代的方式实现主用户的发射功率及最优次级用户的发射功率最优的同时实现主用户的安全能量效率最优化。

附图说明

图1为认知无线电网络的系统模型示意图；

图2为仿真实验中本发明和对比方案的安全能量效率随时隙划分因子α的变化图；

图3为仿真实验中本发明与对比方案的安全速率随时隙划分因子α的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于协作通信的高安全能量效率的信息传输方法包括以下步骤：

1)设认知无线电模型中有一个主用户及N个次级用户，主用户及每个次级用户均配有单根天线且工作在半双工模式下，当主用户之间的主信道状态比窃听信道状态差，则主用户的信息安全速率为零，为了提高主用户的安全速率，主用的户发射端从N个次级用户中选择一个作为中继去提高自己的通信的安全性，作为回报，被选择的次级用户可以获得频谱接入的机会，则信息传输过程为：计算主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*、主用户的最大安全传输速率U_P、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率及最优次级用户的最大传输速率U_si；

2)主用户的发射端以主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*及主用户的最大安全传输速率U_P进行信息的发射，主用户的接收端及最优次级用户的接收端进行信息的接收，最优次级用户的发射端将其接收端接收到的信号以最优次级用户的最优发射功率P_r^*进行转发，主用户的接收端接收最优次级用户的发射端发射过来的信息，并将最优次级用户的发射端发射过来的信息与主用户的发射端发射过来的信息进行合并，并将合并后的信息作为主用户最终的接收信息；

3)最优次级用户获取接入频谱，然后利用接入频谱以最优次级用户的最大传输速率U_si进行信号的传输，完成基于协作通信的高安全能量效率的信息传输。

设所有信道均为加性高斯白噪声窄带瑞利衰落信道，主用户发射端与接收端之间的信道系数为h_p，h_psi，h_si，h_spi分别表示主用户发射机与次级用户、次级用户之间、次级用户与主用户接收机之间的信道系数，主用户发射端和作为中继的次级用户的发射功率分别为P_s及P_r。同时最大功率限制分别为P_smax及P_rmax，所有链路的信道噪声功率为在本发明中假设所有的节点都已知信道的CSI信息。

步骤1)中计算主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率的具体操作为：

设P_s为主用户的发射功率，P_r为次级用户的发射功率，则主用户发射端的安全能量效率ξ(P_s,P_r)为：

建立以主用户发射端的安全能量效率最高为目的的优化问题，即

其中，为次级用户SU_i的最大功率限制；

设次级用户SU_i满足R_r≥R₀的限制条件，R₀为正确解码门限，则主用户的最优发射功率为：

则式(2)中的优化条件可以转化为：

设与参数规划问题max{R(x)-ξP(x):x∈S}最优求解是等价的，分式规划取最大值时，当且仅当max{R(x)-ξ^*P(x):x∈S}＝0；

则优化问题可以转换为寻到ξ*,使式(5)成立，其中，

max{F(ξ,P)＝R_sec(P)-ξP_tot(P):P∈S}＝0 (5)

其中，ξ为主用户的安全能量效率，P＝(P_s,P_r)；

根据Dinkelbach方法将式(5)转化为：

其中，i为第i次迭代，ξ_i为第i迭代时主用户的安全能量效率；

设置ξ_i的初始化值ξ₀，再对F(ξ,P)＝R_sec(P)-ξP_tot(P):P∈S进行迭代，当|F(ξ_i,P^*(ξ_i))|≤ε，迭代完成，得主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ*、最优次级用户、最优次级用户的最优发射功率其中，最优次级用户为主用户的安全能量效率为最优时对应的次级用户，ξ_i的更新函数为：

P^*(ξ_i)为第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率构成的集合。

其中，求解第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率的具体操作为：

设当函数B(x)和D(x)是凸集上的可微凸函数时，函数形式如min{F(x)＝B(x)-D(x):x∈S}的DC规划优化问题可以等价的由迭代解决，其中，为梯度函数；

则当ξ_i固定时，由式(6)得

min{-F(ξ_i,P)＝B(P)-D(P):P∈S} (7)

由式(7)得：

-F(ξ_i,P)＝B(P)-D(P) (8)

由于B(P)及D(P)均为凸函数，并且S集合为凸的，则式(7)为典型的DC规划问题，式(7)可以转换为：

其中，梯度函数为：

然后采用迭代的方式求解式(11)，得第i次迭代时次级用户的最优发射功率与主用户的最优发射功率，其中，迭代收敛的条件为：

|-F(ξ_i,P_k)+F(ξ_i,P_k-1)|≤τ (13)

其中，τ>0为迭代收敛截止常数，P_k为第k迭代时的功率分配。

另外，次级用户SU_i的效用函数为：

其中，θ为功率消耗的代价因子；

主用户通过优化时隙划分因子α使得主用户的安全速率收益函数最大，其中，

然后通过主用户与次级用户进行博弈，得次级用户的最大传输速率U_si与主用户的最大安全传输速率U_P的均衡点及其对应的时隙划分因子α，主用户与次级用户进行博弈的具体操作为：

a)对于N个次级用户，在每个时隙划分因子α下次级用户i计算出其最优的收益函数，该阶段确定了被选择的次级用户i愿意为主用户发射端提供的最大功率为

b)主用户发射端在给定的时隙划分因子α及前提下，通过优化式(2)，得到最大的安全能量效率；

c)通过优化α使得得最优的收益，主用户在得到最大安全能量效率的同时取得安全速率的最大值；

d)通过三面三步得到纳什均衡点

步骤2)中主用户的发射端以主用户的最优发射功率主用户的最优安全能量效率ξ^*及主用户的最大安全传输速率U_P进行信息的发射，主用户的接收端接收到的信息及最优次级用户的接收端接收到的信息y_r分别为：

步骤2)中最优次级用户的发射端将其接收端接收到的信号以最优次级用户的最优发射功率进行转发，主用户的接收端接收最优次级用户的发射端发射过来的信息为：

步骤2)中主用户最终的接收信息R_d为：

步骤3)中次级用户获得接入频谱的机会传输自己的数据，次级用户的传输速率R_si为：

I为最优次级用户。

为了分析主网络的安全能量效率，步骤2)中主用户发射端及最优次级用户消耗功率的功率消耗模型为：

其中，及分别主用户发射端和最优次级用户发射电路的功率消耗，为最优次级用户接收主用户发射过来的信号时的功率消耗，η为功率放大效率。

仿真实验

设系统中存在一对主用户及四对次级用户，一个窃听者试图窃听主用户的信息，为了提高主用户发射端的安全，按照本发明从四对次级用户中选择一个安全能效最佳的次级用户来改善主用户发射端的安全性，作为回报次级用户发射端获得频谱接入的机会；所有节点都位于一个水平线上，归一化主用户发射端和主用户接收端之间的距离，主用户发射端位于(0,0)处，4个次级用户位于中点d＝0.5处，主用户和窃听者位于d＝1处。R₀＝1bit/Hz/s为次级用户正确解码主用户信息的最小门限，主用户发射端和次级用户的最大功率限制分别为P_smax＝1及P^max＝1，θ＝1为次级用户博弈时的功率代价因子，η＝0.38，为信道加性噪声，信道为加性噪声窄带瑞利衰落信道，服从分布h_ij～CN(0，u_ij)，u_ij＝d^-μ，μ＝3。对比方案的参数设定和本发明一样，主用户发射端和次级用户集合也是基于博弈论框架进行分析，只不过主用户发射端的效用函数是没有考虑能量效率的安全速率，次级用户的效用函数一样，然后两者进行博弈。

图2可以反映出本发明比对比方案安全能效高出很多。

对比方案是以主用户安全速率为优化目标，而本发明是在考虑安全的同时考虑能量效率，在本发明中用安全能量效率来综合作为系统的评价指标，对比方案因为是以安全速率为优化目标，在中继信道模型中有时候要花费很大的功率才能提高一点点的安全速率，从经济的角度来看并不划算，而本发明是在容忍一定程度的安全速率减少的前提下显著提升系统的能量效率。

图3中，仿真了本发明和对比方案在随着时隙划分因子α的变化时，安全速率的对比变化趋势。

当时隙划分因子α从0.1逐步变大时，主用户发射机分配的时间逐渐变多，那么安全速率肯定逐渐变大，当α大于0.5逼近于1时，虽然主用户发射端被分配的时间越来越多，可是与此同时被选择的次级用户接入频谱的时间1-α逐渐减小，然而次级用户消耗功率进行协作通信的意愿变小，因此主用户的全速率也会逐渐呈下降趋势，所以整个图的趋势是如图所示的先升后降的趋势。

综上可知，本发明通过优化安全能量效率，不仅能够在主用户被窃听的情况下保证主用户的安全，而且能够提高主用户的能量效率。协作过程包括，主用户首先从N个次级用户中选择一个最合适的次级用户作为中继节点帮助提高自己的数据传输安全，作为回报主用户允许被选择的次级用户接入频谱来传输待传信息。因此首先问题被建模为一个斯塔克伯格博弈论问题，主用户与次级用户分别充当领导者与跟随者的角色，本发明综合考虑主用户的安全、能量效率以及次级用户的传输速率，并具体对安全及能效进行分析。仿真结果表明，相较于传统的只考虑安全速率的最大化，本发明在容忍一定程度的安全速率减少的前提下显著的提高了主用户的能量利用效率。

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。