CN102769517B - 一种可靠反馈信道信息的中继控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可靠反馈信道信息的中继控制方法，在中继节点的收益中增加转移支付部分来控制每个中继节点的收益来保证中继节点在反馈信道信息的时候反馈真实值，其中，转移支付的定义为在某一个中继节点R_i的中继选择的过程中，其他所有的中继节点R_j在参加中继节点R_i中继选择和假定没有参加中继节点R_i中继选择的两个过程中收益的差值。本发明的有益效果是：引入了转移支付，可以自动的使得每个中继节点在反馈信道信息的时候遵循“反馈真实信道信息才能获得最大的收益”的原则，这样很好解决了中继节点“欺骗”信源节点的现象，保证了可靠反馈信道信息，从而实现了“说真话最优”的原则，确保整个系统的物理层通信的保密容量最大化。

Description

一种可靠反馈信道信息的中继控制方法

技术领域

本发明涉及一种可靠反馈信道信息的中继控制方法。

背景技术

在下一代通信系统(4G/LTE)的研究中，已经考虑在物理层进行保密通信，这里考虑存在窃听者的通信场景，具体是指通信的发射者向目标接收者发送数据信息，但是这个信息会被窃听者接收到，从而造成了信息泄露。物理层保密容量是指通信的目标接受者和窃听者的信道容量之差，这个参数越大，表明我们物理层通信的保密性越好。在物理层上实现保密通信可以减小系统开销，同时保密性能也较传统的保密通信更好。

目前4G通信系统中，利用中继技术来提高系统性能已经成为了主要手段。在中继传输系统中，首先信源节点广播所要传输的信息，中继节点接收信源节点的信息之后，继而向信源节点反馈自己的信道信息，接下来信源节点根据中继反馈的信道信息选择信道条件最好的中继进行转发(放大转发或解码转发)，在整个过程中，窃听节点会接收到信源节点和中继节点发送的信息。通过采用中继传输的技术，可以提高传输的可靠性，扩大通信的覆盖范围，提高通信系统容量。在未来的4G系统中，中继通信技术将作为核心技术应用在大量的实际场景内，并将广泛服务在各行各业中。

近年来，已经有人开始研究在中继系统中的物理层保密通信的技术。比如在中继系统中加入一个友好的干扰节点。这种技术方案是友好的干扰节点在中继系统的通信频段内发送一些行干扰信号来保证目标的接收节点的信道容量远大于窃听节点的信道容量，增大物理层保密容量，从而保证保密通信。这类的技术方案主要研究友好干扰节点中的资源分配等问题，并没有考虑到中继节点自身的情况。在实际系统中，中继节点被选中转发信息后会获得转发数据的收益，因此为了争取在传输的过程中被选中，中继节点会有夸大谎报信道信息的利益驱动，这样使得通信系统的保密通信性能大为下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现“说真话最优”原则的可靠反馈信道信息的中继控制方法，能解决中继节点“欺骗”信源节点的现象，保证反馈信道信息的可靠性，增加通信系统的保密通信性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可靠反馈信道信息的中继控制方法，在存在窃听点的中继通信系统中，在中继节点的收益中增加转移支付部分来控制每个中继节点的收益来保证中继节点在反馈信道信息的时候反馈真实值，其中，转移支付的定义为在某一个中继节点R_i的中继选择的过程中，其他所有的中继节点R_j在参加中继节点R_i中继选择和假定没有参加中继节点R_i中继选择的两个过程中收益的差值，i、j均为大于1的自然数，且i≠j。

它是基于VCG和AGV机制的可靠反馈信道信息的中继控制技术。

本发明方法的有益效果在于：在基于VCG和AGV机制的中继控制方法中，引入了转移支付，使每个中继节点在向信源节点反馈信道信息的前，会从自身能获益的角度考虑，来计算它汇报的信道信息后能够获得的收益，系统分配的收益达到最大化，夸大或缩小所汇报的信道信息会引起转移支付的变化，减少每个中继节点的总收益，可以自动的使得每个中继节点在反馈信道信息的时候遵循“反馈真实信道信息才能获得最大的收益”的原则，这样很好解决了中继节点“欺骗”信源节点的现象，保证了可靠反馈信道信息，从而实现了“说真话最优”的原则，确保整个系统的物理层通信的保密容量最大化。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明基于VCG机制中中继节点反馈信道信息及其收益的仿真图；

图3为本发明基于AGV机制中中继节点反馈信道信息及其收益的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种可靠反馈信道信息的中继控制方法，在存在窃听点的中继通信系统中，在中继节点的收益中增加转移支付部分来控制每个中继节点的收益来保证中继节点在反馈信道信息的时候反馈真实值，其中，转移支付的定义为在某一个中继节点R_i的中继选择的过程中，其他所有的中继节点R_j在参加中继节点R_i中继选择和假定没有参加中继节点R_i中继选择的两个过程中收益的差值，i、j均为大于等于1的自然数，且i≠j。

如图1，在存在窃听者的中继通信系统中，对于第i个中继节点R_i，它到接收节点和窃听节点的信道容量C_i,d和C_i,e表达式分别为：

$C_{i,d}={\mathrm{Wlog}}_2(1+{\mathrm{SNR}}_{r_i,d})---\left(1\right)$

$C_{i,e}={\mathrm{Wlog}}_2(1+{\mathrm{SNR}}_{r_i,e})---\left(2\right)$

因此如果中继节点R_i被选用的话它能够达到的物理层保密容量为：

$C_{i,s}={(C_{i,d}-C_{i,e})}^{+}={\[{\mathrm{Wlog}}_2\left(\frac{1+P_{r_i}{h}_{r_i,d}^2/{\mathrm{\σ}}^2}{1+P_{r_i}{h}_{r_i,e}^2/{\mathrm{\σ}}^2}\right)\]}^{+}---\left(3\right)$

其中(x)⁺表示0和x的最大值。因此，被选中的每个中继节点能够获得的收益为

对于在接收节点和窃听节点，我们采用最大比合并(MRC)的方式接收到这些中继节点传来的信息所能达到的信道容量表达式为：

$C_{d,sys}={\mathrm{Wlog}}_2(1+{\mathrm{SNR}}_{s,d}+\underset{i\∈K}{\Σ}{\mathrm{SNR}}_{r_i,d})---\left(5\right)$

$C_{e,sys}={\mathrm{Wlog}}_2(1+{\mathrm{SNR}}_{s,e}+\underset{i\∈K}{\Σ}{\mathrm{SNR}}_{r_i,e})---\left(6\right)$

类似的，我们可以知道整个系统的物理层保密容量为：

$C_{s,sys}={(C_{d,sys}-C_{e,sys})}^{+}={\mathrm{Wlog}}_2{\left(\frac{1+{\mathrm{SNR}}_{s,d}+\underset{i\∈K}{\Σ}{\mathrm{SNR}}_{r_i,d}}{1+{\mathrm{SNR}}_{s,e}+\underset{i\∈K}{\Σ}{\mathrm{SNR}}_{r_i,e}}\right)}^{+}---\left(7\right)$

在这个中继系统中，每个中继节点向信源节点反馈其信道信息而我们记其真实的信道信息为而信源节点根据每个中继节点反馈的信道信息来进行中继节点选择。从表达式(4)可以看出，每个中继节点会存在利益驱动使自己尽可能的被信源节点选中来获得收益。因此它们会向信源节点反馈虚假或者夸大的信道条件信息来增加其被选中的概率。这种做法的坏处是真正信道条件好的中继节点没有被选中，虚假夸大的中继节点反而被选中，造成通信系统性能下降，通信保密容量降低。

它是一种基于VCG和AGV机制的可靠反馈信道信息的中继控制技术，在基于VCG(Vickrey－Clarke－Groves)机制和AVG(Arrow－d＇Aspremont－Gerard－Varet)机制的中继控制方法中，引入了转移支付的概念。即在原先的中继节点的收益表达式中添加转移支付这个收益支付部分，以此来控制每个中继节点的收益来保证中继节点在反馈信道信息的时候反馈真实值。对于VCG和AGV这两种不同的机制设计的转移支付函数，其核心思想大同小异，即每个选中的中继节点需要支付该中继节点假定没有参与到这次的中继选择的过程中其他每个中继节点所能获得的收益的总和。两种不同的机制上设计上的区别如下：

①在VCG机制中，中继节点R_i的转移支付函数为：

$t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})={\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^N{D}_j\left({\hat{g}}_j\right)-{\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^N{D}_j^{*}\left({\hat{g}}_j\right)---\left(8\right)$

其中表示中继节点R_j在中继节点R_i没有参与到这次的中继选择的过程R_j能获得的收益。上式表明R_i的转移支付为其他所有的中继节点在有R_i参加中继选择和假定没有参加中继选择的两个过程中收益的差值。这样R_i最后能获得的总体收益表达式为：

$U_i\left({\hat{g}}_i\right)=D_i\left({\hat{g}}_i\right)+t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{D}_j\left({\hat{g}}_j\right)-{\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^N{D}_j^{*}\left({\hat{g}}_j\right)---\left(9\right)$

②类似的在AGV机制中，中继节点R_i的转移支付函数为：

$t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})={\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{g}}_i\right)-\frac{1}{N-1}{\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^N{D}_j\left({\hat{g}}_j\right)---\left(10\right)$

其中

其中，表示的是其他所有的中继节点在有R_i参加中继选择和假定R_i没有参加中继选择的两个过程中收益的差值的期望值。

基于VCG和AGV机制的中继控制方法中，引入了转移支付。在这种中继控制机制方案中，每个中继节点在向信源节点反馈信道信息的前，会从自身能获益的角度考虑，来计算它汇报的信道信息后能够获得的收益。经过计算可以证明当他们只有汇报真实信息时，系统分配的收益才会达到最大化，夸大或缩小所汇报的信道信息会引起转移支付的变化，减少每个中继节点的总收益，从而实现“说真话最优”的原则。这样可以确保整个系统的物理层通信的保密容量最大化，如图2、图3，从基于VCG机制和AGV机制中中继节点反馈信道信息及其收益的仿真结果图中可以明显看到，只有当每个中继节点汇报信道真实值时才会获得最大化的收益。

Claims (1)

1.一种可靠反馈信道信息的中继控制方法，其主要特征在于：在存在窃听点的中继通信系统中，在中继节点的收益中增加转移支付部分来控制每个中继节点的收益来保证中继节点在反馈信道信息的时候反馈真实值，其中，转移支付的定义为在某一个中继节点R_i的中继选择的过程中，其他所有的中继节点R_j在参加中继节点R_i中继选择和假定没有参加中继节点R_i中继选择的两个过程中收益的差值，i、j均为大于等于1的自然数，且i≠j；

它是基于VCG和AGV机制的可靠反馈信道信息的中继控制技术：

①在VCG机制中，中继节点R_i的转移支付函数为：

$t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{D}_j\left(\widehat{g_j}\right)-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{D_j}^{*}\left({\hat{g}}_j\right)$

其中,N为中继节点个数,表示中继节点R_j在中继节点R_i参与到这次的中继选择的过程时R_j能获得的收益,表示中继节点R_j在中继节点R_i没有参与到这次的中继选择的过程R_j能获得的收益，上式表明R_i的转移支付为其他所有的中继节点在有R_i参加中继选择和假定R_i没有参加中继选择的两个过程中收益的差值，这样R_i最后能获得的总体收益表达式为：

$U_i\left({\hat{g}}_i\right)=D_i\left({\hat{g}}_i\right)+t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{D}_j\left({\hat{g}}_j\right)-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{D_j}^{*}\left({\hat{g}}_j\right)$

②在AGV机制中，中继节点R_i的转移支付函数为：

$t_i({\hat{g}}_i,{\hat{g}}_{-i})={\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{g}}_i\right)-\frac{1}{N-1}\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{D_j}^{*}\left({\hat{g}}_j\right)$

其中,

${\mathrm{\Φ}}_i\left({\hat{g}}_i\right)=E_{{\hat{g}}_{-i}}\[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{D}_j\left({\hat{g}}_j\right)\]=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{{\hat{g}}_{-i}}\[D_j\left({\hat{g}}_j\right)\]$

表示的是其他所有的中继节点在有Ri参加中继选择和假定Ri没有参加中继选择的两个过程中收益的差值的期望值。