CN108494447A - 一种物理层安全通信中的资源分配方法 - Google Patents

一种物理层安全通信中的资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物理层安全通信中的资源分配方法，基于改进的模拟退火方法，该方法在模拟退火的等温过程中采用了自适应扰动的方法更新实时解，使得随机变异的概率随实时温度动态变化，实时温度越低，随机变异概率越小，有利于解的快速收敛；并且添加了记忆功能，通过增加存储环节，将实时最优解记忆下来，避免搜索过程中由于执行接受新解环节而遗失实时最优解。

Description

一种物理层安全通信中的资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种物理层安全通信中的资源分配方法。
背景技术
当今社会，随着人们对无线通信数据传输安全性的要求不断提高，信息安全开始成为关键性问题。传统加密技术使用秘钥对数据进行加密，密钥的分配与管理困难，并且被暴力破解的风险随当今计算能力的飞速提升而越来越高。物理层安全技术利用无线信道的不确定性，在发端通过人工添加噪声等方法对发送信息进行处理，使得窃听者所截获的信息量趋于零，从而实现保密通信。物理层安全通信技术是一种无密钥底层安全通信方案，克服了传统网络层密钥加密技术存在的不足，在没有高层加密或者密钥被窃取的情况下仍然能提供有效的保密通信，对提升无线信息传输的安全具有重要意义。
在物理层安全通信中，目前已经有大量的关于资源分配的方法的研究提出，但现有的资源分配方法大都针对简单的通信场景，且分配资源单一、计算复杂、效率低下。公开号CN106535342A，公开日为2017年03月22日的发明专利“用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法”，提出了一种基于二部图匹配的资源分配方法，但该方法针对单天线收发信号的通信场景，不适用于MIMO通信场景。公开号为CN102752840A，公开日为2012年10月24日的发明专利“一种广播信道发送功率分配方法”，提供了一种根据每个信道的增益信噪比和每个接收端的权值为各接收端分配发射功率的方法，但是该发明仅针对多信道之间的功率分配，不能用于实现多资源分配。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种物理层安全通信中的资源分配方法，采用自适应扰动的设计方案，以最大化有效安全吞吐量为优化目标，同时对发端有效信息传输率与天线上的功率分配进行优化，旨在为MIMO通信网络提供高效、科学合理的资源分配方案，达到最大限度实现信息安全传输的目的。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种物理层安全通信中的资源分配方法，通信场景中，发送者具备M根天线，合法接收者具备N根天线，窃听者具备K根天线，包括以下步骤：
步骤1，控制参数的设置：设置初始温度T0、结束温度Tend、Metropolis链长L和降温速率q；
步骤2，定义代价函数其中Φ＝{φ1,φ2,...φM}，φm为第m根发送天线上的功率分配系数，m＝1,...,M，为Φ的二进制表示形式；R为有效信息传输率，CB为合法信道的信道容量，BR由式确定，lR为BR的比特位长度，O(BΦ,BR)为安全中断概率,g(BR)为BR的十进制表示形式；代价函数f(BΦ,BR)的实时解记作实时最优解记作
步骤3，对实时解Scurr、实时最优解Sopt、实时温度T进行初始化：设定初始实时解初始实时最优解初始实时温度T＝T0；
步骤4，等温过程计数变量l置零，开始等温过程；所述的等温过程，具体包含以下步骤：
步骤4.1，根据实时温度T与实时解自适应扰动产生一个新的解
步骤4.2，根据代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)，判断是否接受新解Snext，并用新解Snext来更新实时解；若df＞0，直接用Snext更新实时解，即Scurr＝Snext；若df＜0，Snext以概率e-df/T更新实时解Scurr；
步骤4.3，更新实时最优解若f(Snext)＞f(Sopt)，则用Snext更新实时最优解，即Sopt＝Snext，否则实时最优解Sopt保持不变；
步骤4.4，根据等温过程计数变量l的取值，判断是否结束等温过程：若l≤L,则计数变量l的值增加1，返回步骤4.1，否则结束等温过程；
步骤5，对实时温度T，利用降温速率q进行降温，开始降温过程；所述的降温过程，具体包含以下步骤：
步骤5.1，用实时温度T以速率q下降后的温度q×T，对实时温度T进行更新，即T＝q×T；
步骤5.2，根据实时温度T与结束温度Tend的比较结果，以及最优解的更新情况，判断是否结束降温过程：当连续L0个Metropolis链中的新解Snext都没有被接受、最优解未更新时，或当前温度小于结束温度T＜Tend，则降温过程结束，输出最优解Sopt；否则返回步骤4。
优选的，步骤2中，合法信道容量CB由式确定，其中，hmn是发送者第m根天线与合法接收者第n根天线之间的信道系数。
优选的，步骤2中，安全中断概率为窃听信道的信道容量大于冗余信号传输率的概率，则O(BΦ,BR)可由式O(BΦ,BR)＝Pr(CE＞RE)确定，其中，CE为窃听信道的信道容量，RE为冗余信号传输率，RE由式RE＝RB-R确定，RB是信号传输率，Pr(CE＞RE)表示窃听信道的信道容量CE大于冗余信号传输率RE的概率。
优选的，步骤3中，实时解的初始化是指将实时解的比特位全部置为1。
优选的，步骤4.1中，所述的自适应扰动产生新解，具体包含以下步骤：
步骤4.1.1，随机产生(0,1)区间上均匀分布的实数rand0；
步骤4.1.2，若rand0＜1-1/T，则对进行随机变异产生新解否则令Scurr＝Sopt，再对进行随机变异产生新解
具体的，步骤4.1.2中，所述的随机变异是指对当前解随机选取一个比特位以一定的扰动概率p进行取反；其中，扰动概率p由式p＝0.1+0.1×e-1/T确定。
优选的，步骤4.2中，所述的代价函数的增量的计算，具体包含以下步骤：
步骤4.2.1，根据步骤4.1所述的实时解与新解计算Φcurr与Φnext,其中，Φcurr与Φnext的第m个元素与分别由和中的第m个元素转化为十进制所得；
步骤4.2.2，根据步骤4.2.1所述的与分别计算实时合法信道容量与新解对应的合法信道容量
步骤4.2.3，根据步骤4.1所述的实时解与新解分别计算实时安全中断概率与新解对应的安全中断概率
步骤4.2.4，根据步骤2所述的代价函数，分别计算与的代价函数f(Scurr)与f(Snext)，以及代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)。
进一步的，步骤4.2.3中，所述的安全中断概率的计算，具体有以下步骤：
步骤4.2.3.1，初始化循环采样参数：初始化循环次数U，循环次计数变量u＝1，安全传输计数变量c＝0；
步骤4.2.3.2，根据恶意窃听者的信道统计特性，产生窃听信道的信道系数，其中，发送者第m根天线与窃听者第k根天线之间的信道系数为gmk；
步骤4.2.3.3，由式计算窃听信道的信道容量CE；
步骤4.2.3.4，判断是否能够安全传输：若CB-R＞CE，安全传输计数变量c的值增加1；否则保持c不变；
步骤4.2.3.5，判断是否结束循环：若u＜U，循环次数计数变量u的值增加1，返回步骤4.2.3.2；否则结束循环；
步骤4.2.3.6，计算安全中断概率
优选的，步骤4.2中，所述的以概率e-df/T更新实时解Scurr，是指随机产生(0,1)区间上均匀分布的随机数rand1，并比较rand1与e-df/T的大小，若e-df/T＞rand1，则以Snext更新实时解Scurr，否则Scurr保持不变。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明使用范围广泛，步骤简单，无论是简单的单天线通信环境，还是复杂的MIMO通信环境，都能通过该方法对有效信号传输率、传输功率等资源进行合理有效地分配；本发明尤其适用于信道环境复杂、天线数目繁多(例如大规模MIMO系统)的场景，在这些场景中，常规、已有的资源分配方法应用困难甚至无法应用。
2、本发明所提出的资源分配方法，使用一种基于改进的模拟退火算法，该算法在模拟退火的等温过程中采用了自适应扰动的方法更新实时解，使得随机变异的概率随实时温度动态变化，实时温度越低，随机变异概率越小，有利于解的快速收敛；并且添加了记忆功能，通过增加存储环节，将实时最优解记忆下来，避免搜索过程中由于执行接受新解环节而遗失实时最优解。所提出的改进的模拟退火算法具有如下优点：1)、可有效克服传统模拟退火算法易陷入局部最优解的缺陷；2)、可有效避免由于随机扰动的盲目性而产生的无意义新解，从而提高了算法的效率；3)、在算法运行的后期，自适应扰动可以使算法更加有针对性地对当前最优解进行扰动，从而进一步加快算法收敛，得到更有效的新解。
附图说明
图1为实施例窃听信道模型示意图。
图2为实施例基于模拟退火算法的资源分配流程图。
图3为实施例自适应扰动方法的实现流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于改进的模拟退火算法的MIMO系统物理层安全通信资源分配方法。图1所示为窃听信道模型示意图，发送者Alice具备M(M＝2)根天线，合法接收者Bob具备N(N＝2)根天线，窃听者Eve具备K(K＝2)根天线。H为合法信道的信道响应矩阵，G为窃听信道的信道响应矩阵。假设合法信道与窃听信道相互独立。图2为基于模拟退火算法的资源分配流程图，图3为自适应扰动方法的实现流程图。
资源分配过程如下：
步骤1，控制参数的设置。设置初始温度T0＝1000C、结束温度Tend＝0.01C、Metropolis链长L＝30和降温速率q＝0.95。
步骤1中，Metropolis链长L的具体值的设定由算法复杂度和性能综合衡量。L的值越大，则所获得的系统性能越好，而算法复杂度越高；反之，算法复杂度降低，而算法易陷入局部最优，性能随之下降。
步骤1中，降温速率q的取值范围为(0,1)，同样的，q的具体值的确定由算法复杂度和性能综合衡量。q的值越大，则所获得的系统性能越好，而算法复杂度越高；反之，算法复杂度降低，而性能随之下降。
步骤2，定义代价函数其中Φ＝{φ1,φ2}，φm为第m(m＝1,2)根发送天线上的功率分配系数，BΦ＝{Bφ1,Bφ2}为Φ的二进制表示形式。R为有效信息传输率，CB为合法信道的信道容量，BR由式确定，BR的比特位长度lR＝8，O(BΦ,BR)为安全中断概率,g(BR)为BR的十进制表示形式。代价函数f(BΦ,BR)的实时解记作实时最优解记作
步骤2中，合法信道容量CB由式确定；其中，hmn是发送者第m根天线与合法接收者第n根天线之间的信道系数。
步骤2中，安全中断概率定义为：窃听信道的信道容量大于冗余信号传输率的概率，则O(BΦ,BR)可由式O(BΦ,BR)＝Pr(CE＞RE)确定；其中，CE为窃听信道的信道容量，RE为冗余信号传输率，RE由式RE＝RB-R确定，RB是信号传输率，Pr(CE＞RE)表示窃听信道的信道容量CE大于冗余信号传输率RE的概率。
步骤3，对实时解Scurr、实时最优解Sopt、实时温度T进行初始化。设定初始实时解初始实时最优解初始实时温度T＝T0。
步骤4，等温过程计数变量l置零，开始等温过程。所述的等温过程，具体包含以下步骤：
步骤4.1，根据实时温度T与实时解自适应扰动产生一个新的解所述的自适应扰动产生新解，具体包含以下步骤：
步骤4.1.1，随机产生(0,1)区间上均匀分布的实数rand0；
步骤4.1.2，若rand0＜1-1/T，则对进行随机变异产生新解否则令Scurr＝Sopt，再对进行随机变异产生新解
步骤4.1.2中，所述的随机变异是指对当前解随机选取一个比特位以一定的扰动概率p进行取反。其中，扰动概率p由式p＝0.1+0.1×e-1/T确定。
步骤4.2，根据代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)，判断是否接受新解Snext，并用新解Snext来更新实时解。若df＞0，直接用Snext更新实时解，即Scurr＝Snext；若df＜0，Snext以概率e-df/T更新实时解Scurr。
步骤4.2中，所述的以概率e-df/T更新实时解Scurr，是指随机产生(0,1)区间上均匀分布的随机数rand1并比较rand1与e-df/T的大小，若e-df/T＞rand1，则以Snext更新实时解Scurr，否则Scurr保持不变。
所述的代价函数的增量的计算，具体包含以下步骤：
步骤4.2.1，根据步骤4.1所述的实时解与新解计算Φcurr与Φnext,其中，Φcurr与Φnext的第m个元素与分别由和中的第m个元素转化为十进制所得；
步骤4.2.2，根据步骤4.2.1所述的与分别计算实时合法信道容量与新解对应的合法信道容量hmn是发送者第m根天线与合法接收者第n根天线之间的信道系数；
步骤4.2.3，根据步骤4.1所述的实时解与新解分别计算实时安全中断概率与新解对应的安全中断概率所述的安全中断概率的计算，具体有以下步骤：
步骤4.2.3.1，初始化循环采样参数。初始化循环次数U＝10000，循环次计数变量u＝1，安全传输计数变量c＝0；
步骤4.2.3.1中，所述的循环次数U的具体值的设定由计算速度和精度综合衡量。U的值越大，则计算精度越高，而计算速度越慢；反之，计算速度提高，而计算精度随之下降。
步骤4.2.3.2，根据恶意窃听者的信道统计特性，产生窃听信道的信道系数，其中，发送者第m根天线与窃听者第k根天线之间的信道系数为gmk；
步骤4.2.3.3，由式计算窃听信道的信道容量CE；
步骤4.2.3.4，判断是否能够安全传输。若CB-R＞CE，安全传输计数变量c的值增加1；否则保持c不变；
步骤4.2.3.5，判断是否结束循环。若u＜U，循环次数计数变量u的值增加1，返回步骤4.2.3.2；否则结束循环；
步骤4.2.3.6，计算安全中断概率
步骤4.2.4，根据步骤2所述的代价函数，分别计算与Snext＝{BΦnext,BRnext}的代价函数f(Scurr)与f(Snext)，以及代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)。
步骤4.3，更新实时最优解若f(Snext)＞f(Sopt)，则用Snext更新实时最优解，即Sopt＝Snext，否则实时最优解Sopt保持不变；
步骤4.4，根据等温过程计数变量l的取值，判断是否结束等温过程。若l≤L,则计数变量l的值增加1，返回步骤4.1，否则结束等温过程。
步骤5，对实时温度T，利用降温速率q进行降温，开始降温过程。所述的降温过程，具体包含以下步骤：
步骤5.1，用实时温度T以速率q下降后的温度q×T，对实时温度T进行更新，即T＝q×T；
步骤5.2，根据实时温度T与结束温度Tend的比较结果，以及最优解的更新情况，判断是否结束降温过程。当连续L0(L0＝10)个Metropolis链中的新解Snext都没有被接受、最优解未更新时，或当前温度小于结束温度T＜Tend，则降温过程结束，输出最优解Sopt；否则返回步骤4。
步骤5.2中，L0的具体值的设定由算法复杂度和性能综合衡量。L0的值越大，则所获得的系统性能越好，而算法复杂度越高；反之，算法复杂度降低，而算法易陷入局部最优，性能随之下降。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物理层安全通信中的资源分配方法，通信场景中，发送者具备M根天线，合法接收者具备N根天线，窃听者具备K根天线，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，控制参数的设置：设置初始温度T0、结束温度Tend、Metropolis链长L和降温速率q；
步骤2，定义代价函数其中Φ＝{φ1,φ2,...φM}，φm为第m根发送天线上的功率分配系数，m＝1,...,M，为Φ的二进制表示形式；R为有效信息传输率，CB为合法信道的信道容量，BR由式确定，lR为BR的比特位长度，O(BΦ,BR)为安全中断概率,g(BR)为BR的十进制表示形式；代价函数f(BΦ,BR)的实时解记作实时最优解记作
步骤3，对实时解Scurr、实时最优解Sopt、实时温度T进行初始化：设定初始实时解初始实时最优解初始实时温度T＝T0；
步骤4，等温过程计数变量l置零，开始等温过程；所述的等温过程，具体包含以下步骤：
步骤4.1，根据实时温度T与实时解自适应扰动产生一个新的解
步骤4.2，根据代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)，判断是否接受新解Snext，并用新解Snext来更新实时解；若df＞0，直接用Snext更新实时解，即Scurr＝Snext；若df＜0，Snext以概率e-df/T更新实时解Scurr；
步骤4.3，更新实时最优解若f(Snext)＞f(Sopt)，则用Snext更新实时最优解，即Sopt＝Snext，否则实时最优解Sopt保持不变；
步骤4.4，根据等温过程计数变量l的取值，判断是否结束等温过程：若l≤L,则计数变量l的值增加1，返回步骤4.1，否则结束等温过程；
步骤5，对实时温度T，利用降温速率q进行降温，开始降温过程；所述的降温过程，具体包含以下步骤：
步骤5.1，用实时温度T以速率q下降后的温度q×T，对实时温度T进行更新，即T＝q×T；
步骤5.2，根据实时温度T与结束温度Tend的比较结果，以及最优解的更新情况，判断是否结束降温过程：当连续L0个Metropolis链中的新解Snext都没有被接受、最优解未更新时，或当前温度小于结束温度T＜Tend，则降温过程结束，输出最优解Sopt；否则返回步骤4。
2.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤2中，合法信道容量CB由式确定，其中，hmn是发送者第m根天线与合法接收者第n根天线之间的信道系数。
3.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤2中，安全中断概率为窃听信道的信道容量大于冗余信号传输率的概率，则O(BΦ,BR)可由式O(BΦ,BR)＝Pr(CE＞RE)确定，其中，CE为窃听信道的信道容量，RE为冗余信号传输率，RE由式RE＝RB-R确定，RB是信号传输率，Pr(CE＞RE)表示窃听信道的信道容量CE大于冗余信号传输率RE的概率。
4.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤3中，实时解的初始化是指将实时解的比特位全部置为1。
5.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤4.1中，所述的自适应扰动产生新解，具体包含以下步骤：
步骤4.1.1，随机产生(0,1)区间上均匀分布的实数rand0；
步骤4.1.2，若rand0＜1-1/T，则对进行随机变异产生新解否则令Scurr＝Sopt，再对进行随机变异产生新解
6.根据权利要求5所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤4.1.2中，所述的随机变异是指对当前解随机选取一个比特位以一定的扰动概率p进行取反；其中，扰动概率p由式p＝0.1+0.1×e-1/T确定。
7.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤4.2中，所述的代价函数的增量的计算，具体包含以下步骤：
步骤4.2.1，根据步骤4.1所述的实时解与新解计算Φcurr与Φnext,其中，Φcurr与Φnext的第m个元素与分别由和中的第m个元素转化为十进制所得；
步骤4.2.2，根据步骤4.2.1所述的与分别计算实时合法信道容量与新解对应的合法信道容量hmn是发送者第m根天线与合法接收者第n根天线之间的信道系数；
步骤4.2.3，根据步骤4.1所述的实时解与新解分别计算实时安全中断概率与新解对应的安全中断概率
步骤4.2.4，根据步骤2所述的代价函数，分别计算与的代价函数f(Scurr)与f(Snext)，以及代价函数的增量df＝f(Snext)-f(Scurr)。
8.根据权利要求7所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤4.2.3中，所述的安全中断概率的计算，具体有以下步骤：
步骤4.2.3.1，初始化循环采样参数：初始化循环次数U，循环次计数变量u＝1，安全传输计数变量c＝0；
步骤4.2.3.2，根据恶意窃听者的信道统计特性，产生窃听信道的信道系数，其中，发送者第m根天线与窃听者第k根天线之间的信道系数为gmk；
步骤4.2.3.3，由式计算窃听信道的信道容量CE；
步骤4.2.3.4，判断是否能够安全传输：若CB-R＞CE，安全传输计数变量c的值增加1；否则保持c不变；
步骤4.2.3.5，判断是否结束循环：若u＜U，循环次数计数变量u的值增加1，返回步骤4.2.3.2；否则结束循环；
步骤4.2.3.6，计算安全中断概率
9.根据权利要求1所述的物理层安全通信中的资源分配方法，其特征在于，步骤4.2中，所述的以概率e-df/T更新实时解Scurr，是指随机产生(0,1)区间上均匀分布的随机数rand1，并比较rand1与e-df/T的大小，若e-df/T＞rand1，则以Snext更新实时解Scurr，否则Scurr保持不变。
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