CN103686805A - 一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，每一个阶段博弈t_k结束后，源节点i依据中继节点j收益值判定该中继节点j的行为策略；源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新；根据误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新；下一阶段，源节点i需要信号发送时，根据再次更新后的中继节点信任度进行可靠中继节点的选择；若中继节点选择不合作行为，中继节点的信任度降低；若中继节点选择合作行为，中继节点的信任度升高。本方法通过对中继节点行为进行监控，有效保障源节点进行可靠中继节点的选择，能够有效保证遏制中继节点不合作行为，保障无线传输物理层安全的稳定性。

Description

一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信物理层领域，本发明基于不完全信息动态贝叶斯博弈，提出实现稳定无线通信物理层安全的协作通信方法。

背景技术

无线传输的广播特性使网络中节点容易遭到恶意节点的攻击与窃听。当满足主信道条件优于窃听信道条件时，存在使窃听者无法获得有用信息的物理层安全性。由于信道制约条件在实际无线环境下不易满足，限制了该技术的应用。而协作通信利用协作节点的转发可以突破信道条件的制约，成为可实际应用的物理层安全技术。节点协作时，若所有中继节点都遵守协作准则，可以实现稳定的物理层安全性能。由于协作会消耗节点自身资源，因此节点为了自身利益可能选择不合作或部分合作行为。节点行为变化会对物理层安全产生很大影响，因此源节点选择可靠中继节点是实现物理层安全传输的保障。

当前针对通信网络安全性的研究主要在网络层以上，而源节点选择可靠中继节点以实现稳定的物理层安全传输的方法尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，本发明有效保证遏制中继节点不合作行为，保障无线传输物理层安全的稳定性，详见下文描述：

一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，所述方法包括以下步骤：

（1）每一个阶段博弈t_k结束后，源节点i依据中继节点j收益值判定该中继节点j的行为策略；

（2）源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新；

（3）根据误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新；

（4）下一阶段，源节点i需要信号发送时，根据再次更新后的中继节点信任度进行可靠中继节点的选择；

（5）若中继节点选择不合作行为，中继节点的信任度降低；若中继节点选择合作行为，中继节点的信任度升高。

所述中继节点j的行为策略包括：

中继节点行为策略包括：协作策略和混合策略，υ_j=0表示中继节点选择协作策略，行为集{θ₁}={协作}；υ_j=1表示中继节点选择混合策略，中继节点以概率P_on协作，以概率P_off不协作，其行为集{θ₁，θ₂}={协作，不协作}。

所述源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新的操作具体为：

${\mathrm{\μ}}_{i,j}^{k+1}\left({\mathrm{\υ}}_j\right|{\mathrm{\θ}}_j,h_i^k)=\frac{p_{\mathrm{off}}\left({\mathrm{\θ}}_j\right|{\mathrm{\υ}}_j,h_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left({\mathrm{\υ}}_j\right|h_i^k)}{{\mathrm{\Σ}}_{\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}}p\left({\mathrm{\θ}}_j\right|\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j,}{h}_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left(\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}\right|h_i^k)}$

i为源节点，j为中继节点；υ_j表示中继节点策略，θ_j为中继节点行为类型；

为源节点i在阶段博弈t_k通过检测手段获得的中继节点j的历史行为；

为中继节点j所采取的一系列独立的行为策略；

为中继不合作概率；

为中继节点历史上采取υ_j策略的信任度；为中继节点在

策略下节点类型为θ_j的条件概率；

为中继节点历史上采取策略的信任度；上式中的分母为节点j在历史策略为合作策略、混合策略下，节点类型为θ_j的全概率公式。

所述根据误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新的操作具体为：

当中继节点j合作时，中继节点信任度为：

当中继节点j不合作时，中继节点信任度为：

其中，σ为误报率、为漏报率，P_off为不合作概率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：该方法基于不完全信息动态贝叶斯动态博弈，根据中继节点的行为和其先验信任度，动态更新源节点对中继节点信任度，并且在中继节点的信任度更新过程中，考虑了检测误报和漏报等使中继节点行为判断出现偏差的情况，使中继节点信任度更新机制更符合实际情况。通过对中继节点行为进行监控，有效保障源节点进行可靠中继选择。本方法作为一种比较理想、效果好的技术方案，能够有效保证遏制中继节点不合作行为，保障无线传输物理层安全的稳定性。

附图说明

图1为不可靠中继节点协作模型；

图2为中继节点行为策略示意图；

图3为一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了有效保证遏制中继节点不合作行为，保障无线传输物理层安全的稳定性，本发明实施例提供了一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，参见图1、图2和图3，该方法包括以下步骤：

101：每一个阶段博弈t_k结束后，源节点i依据中继节点j收益值判定该中继节点j的行为策略；

每个阶段博弈的时间段为t_k（k=0,1,...），i为源节点，j为中继节点。源节点开始传输信号时该阶段博弈开始。源节点的信息集为单元素集，当有信号需要传输时，它就会发送到网络中。中继节点的信息集为多元素集，中继节点行为策略包括协作策略和混合策略。υ_j=0表示中继节点选择协作策略，其行为集{θ₁}={协作}；υ_j=1表示中继节点选择混合策略，中继节点以概率P_on协作，以概率P_off不协作，其行为集{θ₁，θ₂}={协作，不协作}。

102：源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新；

源节点对中继节点的协作行为来自协作策略还是混合策略无法准确分辨，需要根据中继节点j的当前行为和历史行为对其策略类型进行判断，即信任度。阶段博弈t_k结束后，源节点根据本阶段节点行为以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新。阶段博弈t_k后中继节点信任度更新为：

${\mathrm{\μ}}_{i,j}^{k+1}\left({\mathrm{\υ}}_j\right|{\mathrm{\θ}}_j,h_i^k)=\frac{p_{\mathrm{off}}\left({\mathrm{\θ}}_j\right|{\mathrm{\υ}}_j,h_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left({\mathrm{\υ}}_j\right|h_i^k)}{{\mathrm{\Σ}}_{\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}}p\left({\mathrm{\θ}}_j\right|\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j,}{h}_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left(\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}\right|h_i^k)}---\left(1\right)$

其中：i为源节点，j为中继节点；υ_j表示中继节点策略，θ_j为中继节点行为类型；

为源节点i在阶段博弈t_k通过检测手段获得的中继节点j的历史行为；

为中继节点j所采取的一系列独立的行为策略；为中继不合作概率；为中继节点历史上采取υ_j策略的信任度；

为中继节点在

策略下节点类型为θ_j的条件概率；

为中继节点历史上采取

策略的信任度；上式中的分母为节点j在历史策略为合作策略、混合策略下，节点类型为θ_j的全概率公式。

103：通过误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新；

由于实际系统中可能存在的误报和漏报，使中继节点行为判断信号在传递中出现偏差。设σ为误报率、

为漏报率，中继节点混合策略中不协作概率为P_off。此时对式(1)进行修正。

当中继节点j合作时，中继节点信任度为：

当中继节点j不合作时，中继节点信任度为：

源节点在下一博弈阶段t_k+1开始之前完成对节点信任度的更新。

104：下一阶段，源节点i需要信号发送时，根据再次更新后的中继节点信任度进行可靠中继节点的选择；

其中，中继节点信任度值越高，中继节点合作的概率越大，该中继节点越可信。

105：若中继节点选择不合作行为，中继节点的信任度降低；若中继节点选择合作行为，中继节点的信任度升高。

由于所有节点的信任度信息在网络中是共享的，当某中继节点的信任度下降后，其自身利益也会受损。该中继节点为了提高自身可信度，会降低不合作行为概率，从而达到博弈均衡，使源节点与中继节点收益达到最大。通过求解博弈均衡，可以发现源节点对中继节点可信度有“快降慢升”的特性。也就是说，连续的不合作行为会导致中继节点可信度快速降低，且存在向0收敛的趋势；反之，合作行为使中继节点的可信度缓慢上升。该特性能有效防止中继节点欺诈性的合作行为，更有效保障对可靠中继节点选择的准确性，以达到稳定的物理层安全性。

实施例1

下面以具体的实例来验证本方法的可行性，详见下文描述：

参见图1，该不可靠中继节点协作模型包括：源节点S，中继节点R以及目的节点D。传输过程分为两个时隙。第一时隙：源节点通过广播信道将信号传输给中继节点和目的节点；第二时隙：中继节点将接收到的信号协作转发到目的节点。

参见图2，S为源节点，N是自然，中继节点可以选择的行为分为两类，左边分支表示中继行为具有不合作的随机性，其中B=0表示可能选择不合作行为，B=β表示可能选择合作行为；右边分支表示中继节点选择稳定合作行为。

(1)首次阶段博弈的初始信任度的设定。由于源节点与中继节点没有前期的相互作用，初始信任度设定为0.5。

(2)计算阶段博弈t_k结束后，源节点获得的中继节点j选择不合作行为的概率P_off

$p_{\mathrm{pff}}=\frac{2\mathrm{\σS}}{(1-{\mathrm{\μ}}_{i,j}^k)(U+2\mathrm{\σS})}---\left(4\right)$

其中：σ为误报率；

为节点协作时收益，ε为系统总能耗，C_S1(ε)为系统遍历安全容量；为中继节点选择不协作行为时源节点损失的收益；

为阶段t_k+1的先验信任度。将公式(4)带入公式(1)，得阶段博弈t_k后中继节点信任度的更新值。

(3)检测设备通过中继节点收益值判定中继节点行为，并将无线区域内中继行为告知源节点。由于检测方法等的局限性，会存在误报率与漏报率。根据误报率σ和漏报率

将步骤(1)所获得信任度依据公式(2)和公式(3)进行修正。

(4)在动态博弈的第t_k阶段，源节点选择与信任度最大的中继节点协作。若某中继节点选择不合作行为，则该节点的信任度迅速下降。若中继节点选择合作行为，则该节点信任度会缓慢上升。节点信任度的下降，将导致下一博弈阶段源节点选择其他中继节点合作。中继节点为了提高自身利益，会调整自身行为策略，降低不合作概率，使下一阶段博弈节点信任度缓慢上升。

(5)源节点i有信号需要发送时，进入博弈阶段，重复步骤(2)—(4)。

综上所述，本方法基于不完全信息动态贝叶斯博弈，根据中继节点行为和先验信任度更新中继节点信任度，从而实现对中继行为进行监控，帮助源节点选择可靠的中继节点，进而有效抑制中继节点异常行为，实现稳定的物理层安全协作传输。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）每一个阶段博弈t_k结束后，源节点i依据中继节点j收益值判定该中继节点j的行为策略；

（2）源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新；

（3）根据误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新；

（4）下一阶段，源节点i需要信号发送时，根据再次更新后的中继节点信任度进行可靠中继节点的选择；

（5）若中继节点选择不合作行为，中继节点的信任度降低；若中继节点选择合作行为，中继节点的信任度升高。

2.根据权利要求1所述的一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，其特征在于，所述中继节点j的行为策略包括：

中继节点行为策略包括：协作策略和混合策略，υ_j=0表示中继节点选择协作策略，行为集{θ₁}={协作}；υ_j=1表示中继节点选择混合策略，中继节点以概率P_on协作，以概率P_off不协作，其行为集{θ₁，θ₂}={协作，不协作}。

3.根据权利要求2所述的一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，其特征在于，所述源节点根据中继节点j的行为策略以及历史信任度对中继节点的信任度进行更新的操作具体为：

${\mathrm{\μ}}_{i,j}^{k+1}\left({\mathrm{\υ}}_j\right|{\mathrm{\θ}}_j,h_i^k)=\frac{p_{\mathrm{off}}\left({\mathrm{\θ}}_j\right|{\mathrm{\υ}}_j,h_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left({\mathrm{\υ}}_j\right|h_i^k)}{{\mathrm{\Σ}}_{\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}}p\left({\mathrm{\θ}}_j\right|\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j,}{h}_i^k){\mathrm{\μ}}_{i,j}^k\left(\widetilde{{\mathrm{\υ}}_j}\right|h_i^k)}$

i为源节点，j为中继节点；υ_j表示中继节点策略，θ_j为中继节点行为类型；为源节点i在阶段博弈t_k通过检测手段获得的中继节点j的历史行为；

为中继节点j所采取的一系列独立的行为策略；

为中继不合作概率；

为中继节点历史上采取υ_j策略的信任度；

为中继节点在

策略下节点行为类型为θ_j的条件概率；

为中继节点历史上采取

行为策略的信任度；上式中的分母为节点j在历史策略为合作策略、混合策略下，节点行为类型为θ_j的全概率公式。

4.根据权利要求3所述的一种实现稳定物理层安全性的协作通信方法，其特征在于，所述根据误报率和漏报率，对中继节点在合作时或不合作时对中继节点信任度进行再次更新的操作具体为：

当中继节点j合作时，中继节点信任度为：

当中继节点j不合作时，中继节点信任度为：

其中，σ为误报率、

为漏报率，P_off为不合作概率。

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