CN108124253A - 一种考虑安全的无线多跳网络路由选择和功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾能量有效性，传输可靠性和安全性的无线多跳网络联合路由和功率分配方法。本发明考虑窃听者的位置、信道状态信息均为未知这一较现实的场景，针对解码转发模式下的无线多跳网络，提出了一种端到端误码率约束下的安全路由和功率分配方法。本发明首先基于信息论的物理层安全容量定义得到能满足最大化安全连接概率的一种功率分配和路由策略，然后以该策略和端到端的误码率为约束，以最小化路径消耗的总功率为目标建模，推导得到一种功率分配算法和基于经典Bellman‑Ford算法的安全路由算法。该联合设计方法既保证了信息传输的安全性又实现了传输的准确性，同时提高了网络的能量效用，具有一定的实际意义。

Description

一种考虑安全的无线多跳网络路由选择和功率分配方法
技术领域
本发明属于信息与通信工程技术领域，涉及无线通信系统中的物理层安全技术、多跳网络中网络层的路由选择技术、物理层的功率分配技术，主要是通过设计一种应用于无线多跳网络的联合安全路由和功率分配的方法，提高多跳网络流传输中的能量有效性和传输可靠性。
背景技术
随着通信技术的发展和通信业务的多样化需求，信息在通信网络中传输的安全性问题也得到越来越广泛的关注。传统的信息安全技术以密码学为理论基础，应用在物理层以上的层次，需要高性能的硬件支持，且计算量巨大。而基于信息论的物理层安全技术主要利用物理层信道的随机性以及合法节点与其窃听者之间的信道状况差异来实现信息的安全传输，具有可靠性高，计算量小，复杂度低，信道适应性好等特点，很好的弥补了传统信息安全技术的不足。
为了实现物理层的安全通信，目前已有大量学者展开了相关研究，这些工作集中在研究一跳和两跳中继系统。然而这些针对单跳或者两跳网络的研究结果无法直接应用到复杂的无线多跳网络，这是因为无线多跳网络的物理层安全算法设计需要考虑更多问题，如窃听者相互勾结对同一信息传输的多跳链路联合窃听，窃听者密度对安全性能的影响，多节点同时发送对保密容量的影响等等。目前，针对多跳网络的物理层安全研究大多处于性能分析阶段，只有少量文献联合了某种上层机制来设计保证物理层安全的通信策略。这些针对多跳网络考虑物理层安全的算法，有些依赖于某些不切实际的假设，譬如假定窃听者的数目，位置以及信道状态信心(CSI)等都已知的情况；有些并没有考虑多层次之间的联合设计。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，公开了一种兼顾能量有效性，传输可靠性和安全性的无线多跳网络联合路由和功率分配方法。
本发明方法的步骤如下：
步骤一：初始化阶段：在本阶段节点获得网络的基本配置信息。首先，节点通过邻居之间相互传递消息获取邻居节点信息，这些信息包括：邻居节点位置，发送功率，邻居的邻居信息等；然后根据这些信息计算相互之间的距离，接收信噪比等信息。同时需要得到诸如窃听者的密度，所定义的误码率门限值，由所采用的调制解调方法决定的调制解调参数等相关已知系统配置参数。
步骤二：将所获取的参数信息整理成已知参数信息库，并实现网络中节点的共享，为后期实现路由选择和功率分配提供条件。
步骤三：根据系统优化的总目标以及所受到的相关功率、误码率等约束条件，建立系统优化模型，并从系统参数信息库中导出相关参数，代入优化模型。
步骤四：根据约束条件中求得最大化安全路由的条件得到相应安全路由的计算方式，以及一种得到该安全路由就必须满足的功率分配策略。
步骤五：根据得到的功率分配策略，简化系统优化模型。
步骤六：根据简化的优化模型得到详细的路由路径上各节点的最优功率分配表达式。
本发明的有益效果：
本发明只需要知道窃听者的密度信息，并不需要考虑具体窃听者的位置，以及节点之间的CSI，这是一种较现实的场景。
本发明一方面通过最小化系统的总功率消耗，提高了系统的能量有效性，另一方面通过设定端到端误码率的约束又提高了系统的传输的可靠性，更进一步地，通过定义物理层安全容量这一限制条件，提高了系统的数据安全性。
本发明实现的路由算法可基于现有的AODV等经典路由算法实现，算法非常简单，可扩展。
本发明实现的功率分配算法只依赖于节点之间的相互距离，这一参数在节点初始化阶段就可以获得，简单易实现，也具有良好的可扩展性，具有一定的意义。
附图说明
图1为网络示例图。
图2为本方法流程图。
图3为路由传输总功率随网络大小的变化仿真图。
图4为网络规模为200时的路由选择对比仿真图。
具体实施方式
下面结合附图及实施案例，对本发明作进一步说明。
本发明假定整个网络的拓扑如图1所示。考虑一个无线多跳网络，该网络包含N个相互已知距离的合法节点Ai∈N,i＝{1,2,3...N}，M个互相独立的窃听者Ej∈M,j＝{1,2,3...M}，窃听者密度为λE。节点位置服从泊松分布。窃听者处于被动状态，CSI和窃听者位置对合法节点来说是未知的。网络中每个节点都配备有全向天线，节点工作在时分复用模式，中继节点采用解码转发方式传输数据。
当信息从节点Ai传输到Ai+1时，合法节点Ai+1和窃听者Ej的接收信噪比和分别为：
其中代表合法节点Ai的发送功率，和分别代表节点Ai和Ai+1之间的距离和信道衰落系数，α为路损因子，和代表节点Ai和Ej之间的距离和信道衰落系数，本发明中假设和服从均值为1的指数分布。
考虑一条有R跳的路由L＝<A1,A2,...,AR+1>，由物理层安全定义可知，在窃听者相互独立的情况下，该路由可实现的保密速率为
其中[x]+＝max(x,0)，为信息传输路径上合法节点接收的最小信噪比，意味着在窃听者不互相勾结的情况下，窃听者能从整条路径获得的最大信噪比。
因此，对于一条给定路径的安全连接概率(Pr)可以表示为：
其中Γ(·)为伽马函数，λE为窃听者密度。
由信噪比的定义式(1)可知，其中服从均值为1的指数分布，所以σ也是服从指数分布的随机变量，它的累积分布函数(CDF)可以表示为其中是第i跳的平均信噪比。由于瞬时误码率可以表达为其中(a,b)为与调制相关的常数。根据基于CDF函数的方法，可以得到第i跳的平均误码率ζi为：
解码转发模式下单跳误码率与端到端误码率的关系为：
将(5)代入(6)，得到如下解码转发模式下的端到端误码率表达式：并定义端到端误码率阈值ζTH，则系统的误码率约束条件为：
总优化问题建模：
s.t.
其中表示从源节点AS到目的节点AD的所有路由的集合，代表使得路由安全连接概率Pr最大的路由。
为了得到使路由安全连接概率Pr最大的路由，需要求解如下路由问题：
由此可得到如下功率分配策略：
该功率分配策略意味着只有当选取的路由路径上的节点分配的功率满足上式时，才能取得(10)的最大值。将(10)代入(9)式后，可以进一步转化为对下面最小化问题的求解：
很明显，上式可以通过经典的Bellman-Ford算法求解，该最短路径算法的路由权重函数为：
结合式(10)的功率分配策略，优化问题可以分解为如下端到端误码率约束下的功率最小化问题：
s.t.
求解上面的优化问题可得：
其中为节点Aj发送功率，为节点Ai和Ai+1之间的距离，ζTH为端到端的误码率门限，(a,b)为与调制相关的常数，R为路由跳数。
图3仿真了随着网络中节点规模增加，传统流量优先算法(FA)和本发明的算法(JPASR)消耗总功率的对比。从图3可以看出，不论是JPASR算法还是FA算法，都随着网络中节点数目的增加，路由传输总功率在下降。这是因为，当随着网络规模的增大，选定路由路径中的节点数在不断的增加，因此相邻节点间的传输距离越来越近，所消耗的传输功率越来越小，因此路由传输总功率也越来越小。随着节点数目的增多，FA算法选择的路由跳数跟JPASR算法也越来越相近，所以总功率消耗越来越趋近。但是，即便是节点数达到350的时候，FA算法的总功率消耗也比JPASR算法至少要高2倍。这是因为FA算法虽然设计了一个选择最小能耗的路由权值函数，但是它并没有优化功率的分配，本质上它只是在一堆没有优化功率分配的路径上选择了一条较好的路径。而JPASR算法则是根据网络的拓扑结构，为了找到一条功率消耗最小的路径，对功率进行了重新的分配，所以它比FA算法具有更好的节能特性。实际上，JPASR消耗的总功率为而FA算法消耗的总功率为
图4给出了具体的路由选择图。可以看出，在选择路由时，JPASR算法选择的路由有效的避开了窃听者从而保证信息传输的安全性，而FA算法不考虑安全，它在一段区间内距离窃听者较近，所以其选择的路由安全连接概率非常低。

Claims (1)

1.一种考虑安全的无线多跳网络路由选择和功率分配方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化：节点获得网络的基本配置信息；
步骤二：将所获取的信息整理成已知参数信息库，并实现网络中节点的共享；
步骤三：根据系统优化的总目标以及所受到的相关功率、误码率的约束条件，建立系统优化模型，并从系统参数信息库中导出相关参数，代入优化模型；
所述的系统优化模型为：
s.t.
<mrow> <mfrac> <mi>a</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>b</mi> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>R</mi> </munderover> <mfrac> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>&amp;zeta;</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中代表合法节点Ai的发送功率，(a,b)为与调制相关的常数，代表节点Ai和Ai+1之间的距离，ζTH为端到端误码率阈值，α为路损因子，表示从源节点AS到目的节点AD的所有路由的集合，代表使得路由安全连接概率Pr最大的路由；
<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;pi;&amp;lambda;</mi> <mi>E</mi> </msub> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&amp;alpha;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&amp;alpha;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Γ(·)为伽马函数，λE为窃听者密度
步骤四：根据约束条件中求得最大化安全路由的条件，得到相应安全路由的计算方式，以及一种得到该安全路由就必须满足的功率分配策略；
则安全路由选择转为如下最小化问题的求解：
<mrow> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>L</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>S</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>D</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </munder> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </munder> <msqrt> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msubsup> </msqrt> </mrow>
上式通过经典的Bellman-Ford算法求解，该算法的路由权重函数为：
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所述的功率分配策略表示为：
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步骤五：根据得到的功率分配策略，简化系统优化模型，得到：
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步骤六：根据简化的优化模型得到详细的路由路径上各节点的最优功率分配表达式：
<mrow> <msup> <msub> <mi>P</mi> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> </msub> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>a</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>b</mi> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msqrt> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msubsup> </msqrt> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>R</mi> </munderover> <msqrt> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> </msubsup> </msqrt> </mrow> <msub> <mi>&amp;zeta;</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>H</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
其中为节点Aj发送功率，R为路由跳数。
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