CN103702324A - 一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法，涉及无线通信的物理层安全领域，本发明在无线通信物理层上，针对节点可能存在的行为变化，基于合作博弈，提出存在节点行为变化时，动态调整协作通信联盟结构的方法，本发明能够帮助无线区域内节点形成稳定可靠的联盟结构，降低协作通信联盟内节点自私和恶意攻击行为的影响，保证物理层安全传输，保障物理层安全性能最优。

Description

一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法。

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。而协作通信利用协作节点的转发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。由于缺乏有效的监督机制，协作联盟内节点存在恶意和自私行为，严重影响联盟的物理层安全性能，且节点的自私与恶意程度不同对系统安全影响程度也不同。节点间形成合理的协作通信传输联盟是保证物理安全传输的基础，为了保证存在节点行为变化时，协作通信联盟结构性能仍然最优，需要提出相关算法动态调整联盟结构，以保证系统的安全性。

当前针对协作通信联盟结构均不考虑节点信息交换功率损失且均只考虑节点为可靠节点，而无线通信中节点行为多变，目前尚未见可实现考虑节点行为变化时保证物理层安全性能最优的联盟形成算法。

发明内容

本发明提供了一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法，本方法提高了物理层传输的安全性，保障了物理层安全性能的最优化，详见下文描述：

一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法，所述方法包括以下步骤：

(1)初始状态：包含N个可靠节点形成初始联盟，S={n₁,...,n_i,n_j,n_k,...,n_N}，定期计算联盟效益值；

(2)找到效益值发生改变的节点，动态调整协作通信联盟结构，即

a）分离

某联盟内有节点效益发生变化，若满足脱离联盟边界条件，节点会脱离联盟独立存在，联盟结构发生改变；

b）合并

分离出来的小协作通信联盟依据帕累托阶合并成为其它的协作通信联盟结构，重复以上a)和b)步骤，直到迭代终止，形成稳定通信联盟结构；

(3)动态调整联盟结构形成新协作联盟结构后，无线区域内节点按照新的协作通信结构发送信息。

(4)当联盟内节点效益又发生变化时，进入动态调整联盟阶段，重复过程（2）—（3）。

所述找到效益值发生改变的节点，动态调整协作通信联盟结构的步骤具体为：

第一个阶段，源节点用户发送信息给初始联盟S内的中继节点R；第二个阶段，中继节点协作转发收到的信息至目的节点；当初始联盟S内中继节点j行为发生变化时，第二阶段协作转发的实际信息发送权重发生变化；

联盟内节点行为的变化影响联盟安全性的效益，当联盟内节点满足：

${\mathrm{\φ}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}>0$

节点并不会脱离联盟；

当联盟内节点满足：

${\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}<0$

节点将脱离联盟；

其中，φ_i(S)为用户i的效益，

为节点单独存在时的安全容量。

所述初始联盟S内中继节点j行为发生变化具体为：

节点j完全可靠时b_j的取值为1，b_j表征初始联盟内节点的行为变化；若节点j存在程度为p的恶意攻击行为时，b_j取值为-p；若节点j存在程度为q的自私行为，b_j取值为1-q。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在无线通信物理层上，针对节点可能存在的行为变化，基于合作博弈，提出存在节点行为变化时，动态调整协作通信联盟结构的方法，本发明能够帮助无线区域内节点形成稳定可靠的联盟结构，降低协作通信联盟内节点自私和恶意攻击行为的影响，保证物理层安全传输，保障物理层安全性能最优。

附图说明

图1为协作传输模型；

图2为联盟结构变化示意图。

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。

通过联盟效益值动态调整协作通信联盟结构，获取新协作联盟结构，无线区域内节点按照新协作联盟结构发送信息。

(1)初始状态：包含N个可靠节点形成初始联盟，S={n₁,...,n_i,n_j,n_k,...,n_N}。定期计算联盟效益值。当联盟内存在节点行为变化，即从可靠协作节点变为自私（即中继节点只使用部分转发功率协作转发信息）或者恶意发送随机噪声行为（即中继节点不是转发收到的信息而是发送随机噪声以干扰目的节点接收信号）时，联盟内节点效益值发生改变。

参见图1，A为源节点，1、2、3为中继节点，W为源节点，D为目的节点，图1中的圆圈表示为一个联盟。图1中源节点A在第一阶段发送信息，中继节点1、2、3接收信息并在第二阶段转发收到的信息。初始联盟S包括A，1,2,3节点。

(2)找到效益值发生改变的节点，动态调整协作通信联盟结构。

a）分离

某联盟内有节点效益发生变化，参见图2，如图2中节点3的行为发生变化，节点1的效益发生变化。若满足脱离联盟边界条件，该节点1会脱离联盟独立存在，并可能与其他节点如节点4形成新的联盟。联盟结构发生改变；否则联盟结构不发生改变。

b）合并

从原始协作联盟依据分离原则分离出来的小联盟，如图2中的节点1，依据帕累托阶[¹]与节点4合并成为其它协作通信联盟结构，重复以上a和b两步骤，直到迭代终止，形成稳定联盟通信结构。

(3)动态调整联盟结构形成新协作联盟结构后，无线区域内节点按照新的协作通信联盟结构发送信息。

(4)当联盟内节点效益又发生变化时，进入动态调整联盟阶段，重复过程（2）—（3）。

下面详细的对上文的描述进行解释说明，详见下文：

1、中继行为的表征：

整个协作通信过程分为两个阶段，第一个阶段，源节点用户发送信息给初始联盟S的中继节点R；第二个阶段，中继节点协作转发收到的信息至目的节点。当初始联盟S内节点j行为发生变化时（初始联盟S包含N个节点），第二阶段协作转发的实际信息发送权重由

$w_s={[w_{i_l},...,w_{i_N}]}^H$ 变为

，其中b_j表征初始联盟内节点的行为变化。节点j(1≤j≤N)完全可靠时b_j的取值为1。若节点j行为发生变化，参数b_j值也会相应地发生改变。若节点j存在程度为p的恶意攻击行为时，b_j取值为-p；若节点j存在程度为q的自私行为，b_j取值为1-q。节点行为变化使实际信息发送权重w^new偏离w_S，恶意攻击或自私行为越严重偏离程度越大，对联盟内其他节点效益影响越严重。

即本发明通过提出表征节点行为变化的参数p和q，取值范围0-1。参数取值越大节点的恶意攻击或自私行为越严重。参数取值为0时表明节点行为可靠，不存在恶意攻击或自私行为，能够完全按照联盟内节点规定权重发送信息。参数取值为1时表示节点的恶意攻击或自私行为达到极点，通过行为表征参数反映节点行为。

节点信息发送权重改变后，联盟S效益函数也随之发生改变，联盟效益为：

$V\left(S\right)=\{{\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)={(C_{{i,m}_i}^S-c_i\left(S\right))}^{+},\&ForAll;i\&Element;S\}---\left(1\right)$

其中：φ_i(S)为用户i的效益，(·)⁺为取最大值（即取

的最大值）。c_i(S)为联盟安全容量损失，

为用户i∈S传输信息给目的节点m_i所能达到的最大安全速率，表示为：

$C_{{i,m}_i}^S\frac{1}{2}{\log }_2(\mathrm{\&alpha;}+\frac{{\left(w^{\mathrm{new}}\right)}^H{R}_S{w}^{\mathrm{new}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---2$

这里：

表示信息交换时目的节点mi的接收信噪比；

为i节点用于信息交换的功率；

为用户i与目的节点mi的信道系数；σ²是噪声功率；(w^new)^H是转发权重矩阵w^new的转置矩阵；R_S=h_Sh_S ^H为用户i到目的节点的信道传输矩阵与其转置矩阵的乘积。

当联盟内节点信息发送权重发生改变后，在协作发送的第二阶段窃听节点也能窃听到传输节点i发送的有用信息。窃听节点k获得的安全容量为两个阶段窃听到安全容量的总和，记为：

${\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{i,k}^e=\frac{1}{2}{\log }_2(\mathrm{\&beta;}+\frac{{\left(w^{\mathrm{new}}\right)}^H{R}_g^k{w}^{\mathrm{new}}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})---\left(3\right)$

其中表示信息交换时窃听节点k的接收信噪比，g_i,k为用户i到窃听节点k的信道系数，为用户i到窃听节点k的信道传输矩阵与其转置矩阵的乘积。信息发送权重变为w^new后，第二阶段信息传输的发送功率为(w^new)^Hw^new。联盟安全容量损失c_i(S)定义为所有L个窃听节点获得安全容量的最大值，表示为：

$c_i\left(S\right)=\max ({\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{i,1}^e,...,{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{i,k}^e,...,{\stackrel{\&OverBar;}{C}}_{i,L}^e)---\left(4\right)$

联盟内节点行为的变化影响联盟安全性的效益，当联盟内节点满足：

${\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}>0---\left(5\right)$

即：联盟内节点行为变化降低联盟节点效益，但节点效益值仍比节点独立存在时的效益值大，节点并不会脱离联盟。当联盟内节点满足：

${\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}<0---\left(6\right)$

即：联盟节点效益值小于该节点独立存在时的效益值，节点将脱离联盟（即脱离联盟边界条件）。通过动态调整协作联盟结构确保无线区域内节点效益值最优。

本发明基于不可转移效用的合作博弈，讨论存在信息交换安全损失时，给出了联盟内其它节点行为变化后，该节点离开联盟的边界条件。得到了动态建立无线区域内协作通信联盟的方法。该方法保证联盟内节点行为发生变化后无线区域内节点能获得最大效益值，形成稳定可靠协作通信联盟结构，使节点的物理层安全性能最优。

参考文献

[1]Apt,K.R.,Witzel,A.:‘A generic approach to coalition formation’,International Game TheoryReview,2009,11,(3),pp.347-367

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 (3)

1.一种保障物理层安全的协作通信联盟结构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)初始状态：包含N个可靠节点形成初始联盟，S={n₁,...,n_i,n_j,n_k,...,n_N}，定期计算联盟效益值；

(2)找到效益值发生改变的节点，动态调整协作通信联盟结构，即

a）分离

某联盟内有节点效益发生变化，若满足脱离联盟边界条件，节点会脱离联盟独立存在，联盟结构发生改变；

b）合并

分离出来的小协作通信联盟依据帕累托阶合并成为其它的协作通信联盟结构，重复以上a)和b)步骤，直到迭代终止，形成稳定通信联盟结构；

(3)动态调整联盟结构形成新协作联盟结构后，无线区域内节点按照新的协作通信结构发送信息。

(4)当联盟内节点效益又发生变化时，进入动态调整联盟阶段，重复过程（2）—（3）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述找到效益值发生改变的节点，动态调整协作通信联盟结构的步骤具体为：

第一个阶段，源节点用户发送信息给初始联盟S内的中继节点R；第二个阶段，中继节点协作转发收到的信息至目的节点；当初始联盟S内中继节点j行为发生变化时，第二阶段协作转发的实际信息发送权重发生变化；

联盟内节点行为的变化影响联盟安全性的效益，当联盟内节点满足：

${\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}>0$

节点并不会脱离联盟；

当联盟内节点满足：

${\mathrm{\&phi;}}_i\left(S\right)-C_{{i,m}_i}<0$

节点将脱离联盟；

其中，φ_i(S)为用户i的效益，

为节点单独存在时的安全容量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述初始联盟S内中继节点j行为发生变化具体为：

节点j完全可靠时b_j的取值为1，b_j表征初始联盟内节点的行为变化；若节点j存在程度为p的恶意攻击行为时，b_j取值为-p；若节点j存在程度为q的自私行为，b_j取值为1-q。

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