CN110191505B - 多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法 - Google Patents

多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，该方法包括用户模式选择步骤和基站发射功率控制步骤，用户模式选择步骤是指每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择；基站发射功率控制步骤是指对选择发射干扰信号模式的用户以功率qk向窃听者发送干扰信号，以发射功率p向所有用户传输信息。本发明提出的方法中，合法用户不仅可以作为信息解码者，也可作为干扰窃听者的干扰者，在基站传输功率约束下，通过优化用户模式选择和基站功率控制，使多播网络的平均保密和速率得到提升。

Description

多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，可以提升多播网络的物理层安全性能。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线通信中信息安全的要求越来越高，然而量子计算的出现让基于密码学的加密算法越来越不可靠。为此人们提出了物理层安全技术，物理层安全技术利用无线传输媒介内在特性，使得安全性问题在物理层得以解决，并且与传统的基于上层的安全手段并不冲突，既可作为独立的安全手段，也可以是现有加密技术的补充。通常将保密速率作为物理层安全的性能指标，其定义为通过合法通信信道所得速率减去通过窃听信道所得速率的非负值。各种无线网络都有对物理层安全问题的研究。在多播网络中，可以有效地将相同的内容传输给一组用户，相比单播网络，更加节约网络资源。
近年来，多播网络的物理层安全受到越来越多的关注。现有研究的多播网络中的合法用户只充当信息解码者，然而，经历严重信道衰落的一些用户会降低多播网络的保密速率。
有鉴于此，有必要设计一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，将经历严重信道衰落的一些用户作为干扰者来干扰窃听者，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，所述多播网络中有一个基站、K个用户和一个窃听者，用户集为
Figure BDA0002046466100000021
hk、g和Ik分别是从基站到用户k、从基站到窃听者和从用户k到窃听者的信道增益，p为基站传输功率，限制其均值最大为
Figure BDA0002046466100000022
即
Figure BDA0002046466100000023
其中
Figure BDA0002046466100000024
为数学期望；所述方法包括以下步骤：
步骤一：用户模式选择，即每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择；
步骤二：基站发射功率控制，选择发射干扰信号模式的用户
Figure BDA0002046466100000025
以功率qk向窃听者发送干扰信号，基站以发射功率p向所有用户传输信息。
作为本发明进一步改进的技术方案，用ρk代表用户模式选择因子，ρk＝1表示用户k选择信息解码模式，ρk＝0表示用户k选择发射干扰信号模式，令
Figure BDA0002046466100000026
代表进行信息解码的用户集，qk为用户k的发射干扰信号的功率；多播网络的保密和速率定义为
Figure BDA0002046466100000027
其中
Figure BDA0002046466100000028
代表最大可达信息速率，
Figure BDA0002046466100000029
代表窃听者的最大可达窃听速率；通过求解如下问题来联合决定用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量p：
Figure BDA00020464661000000210
Figure BDA00020464661000000211
p≥0 (3)
Figure BDA00020464661000000212
作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤一中的用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量的p优化步骤如下：
(1)初始化λ为任意正数；
(2)初始化
Figure BDA00020464661000000213
(3)随机化用户顺序，对于所有用户k＝1，...，K执行以下步骤(3.a)-(3.d)；
(3.a)令
Figure BDA0002046466100000031
(3.b)令ρk＝1，根据下式计算
Figure BDA0002046466100000032
Figure BDA0002046466100000033
其中
Figure BDA0002046466100000034
根据
Figure BDA0002046466100000035
和ρk＝1得到
Figure BDA0002046466100000036
Figure BDA0002046466100000037
(3.c)令ρk＝0，根据下式计算
Figure BDA0002046466100000038
Figure BDA0002046466100000039
根据
Figure BDA00020464661000000310
和ρk＝0得到
Figure BDA00020464661000000311
(3.d)若O1≥O0，则用户k选择信息解码模式，并令ρk＝1，
Figure BDA00020464661000000312
若O1＜O0，则用户k选择发射干扰信号模式，并令ρk＝0，
Figure BDA00020464661000000313
(4)更新λ如下，
Figure BDA00020464661000000314
其中正数θ为更新的步长，如果λ收敛，则算法结束，输出用户模式选择变量ρk,k＝1，...，K和基站发射功率控制变量p；否则返回步骤(2)。
作为本发明进一步改进的技术方案，步骤(3)中，可对用户顺序进行M≥1次随机化，将平均保密和速率最大的一次随机化时的结果作为最终结果。
由以上技术方案可知，本发明提出的多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，合法用户不仅可以作为信息解码者，也可作为干扰窃听者的干扰者，在基站传输功率约束下，通过优化用户模式选择和基站功率控制，使得多播网络的平均保密和速率得到提升。
附图说明
图1为本发明的系统模型示意图。
图2为本发明方法的流程示意图。
图3为不同方法下的平均保密和速率相对于
Figure BDA0002046466100000041
的变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明设计的一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法考虑的场景如下：如图1所示，在一个多播网络中有一个基站、K个用户和一个窃听者。假设从基站到用户的信道的大尺度路径损耗为80dB，小尺度衰落服从均值为
Figure BDA0002046466100000042
的瑞利分布，其余信道的大尺度路径损耗为80dB，小尺度衰落服从均值为1的瑞利分布。令σ2＝10-8Watt，K＝4，
Figure BDA0002046466100000043
q＝1Watt，M＝5。为了验证本发明设计方法的性能，考虑四种参考方法。第一种参考方法假设
Figure BDA0002046466100000044
且所有用户均用于信息解码。第二种参考方法按照注水方式给不同信道衰落状态分配基站传输功率且所有用户均用于信息解码。第三种参考方法假设
Figure BDA0002046466100000045
且随机选择一个用户作为干扰者，其余用户进行信息解码。第四种参考方法按照注水方式给不同信道衰落状态分配基站传输功率且随机选择一个用户作为干扰者，其余用户进行信息解码。
图2是本发明方法的流程示意图。以下将结合图2对本发明进行详细说明。
本发明设计的多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法考虑的场景如下：在一个多播网络中有一个基站、K个用户和一个窃听者。用户集为
Figure BDA0002046466100000051
hk、g和Ik分别是从基站到用户k、从基站到窃听者和从用户k到窃听者的信道增益。p为基站传输功率，限制其均值最大为
Figure BDA0002046466100000052
即
Figure BDA0002046466100000053
其中
Figure BDA00020464661000000512
为数学期望。本发明的目标是在基站传输功率约束下，通过用户模式选择和基站传输功率的联合优化，最大化多播网络的平均保密和速率。本发明设计的多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法包括以下步骤：
步骤一：用户模式选择。每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择。用ρk代表用户模式选择因子，ρk＝1表示用户k选择信息解码模式，ρk＝0表示用户k选择发射干扰信号模式，令
Figure BDA0002046466100000054
代表进行信息解码的用户集，qk为用户k的发射干扰信号的功率。多播网络的保密和速率定义为
Figure BDA0002046466100000055
其中
Figure BDA0002046466100000056
代表最大可达信息速率，
Figure BDA0002046466100000057
代表窃听者的最大可达窃听速率。通过求解如下问题来联合决定用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量p：
Figure BDA0002046466100000058
Figure BDA0002046466100000059
p≥0 (3)
Figure BDA00020464661000000510
步骤二：基站发射功率控制。选择发射干扰信号模式的用户
Figure BDA00020464661000000511
以功率qk向窃听者发送干扰信号，基站以步骤一中得到的发射功率p向所有用户传输信息。
本发明方法的方案中，步骤一中的用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量的p优化步骤如下：
(1)初始化λ为任意正数。
(2)初始化
Figure BDA0002046466100000061
(3)随机化用户顺序，对于所有用户k＝1，...，K执行以下步骤(3.a)-(3.d)。
(3.a)令
Figure BDA0002046466100000062
(3.b)令ρk＝1，根据下式计算
Figure BDA0002046466100000063
Figure BDA0002046466100000064
其中，
Figure BDA0002046466100000065
根据
Figure BDA0002046466100000066
和ρk＝1得到
Figure BDA0002046466100000067
Figure BDA0002046466100000068
(3.c)令ρk＝0，根据下式计算
Figure BDA0002046466100000069
Figure BDA00020464661000000610
根据
Figure BDA00020464661000000611
和ρk＝0得到
Figure BDA00020464661000000612
(3.d)若O1≥O0，则用户k选择信息解码模式，并令ρk＝1，
Figure BDA00020464661000000613
若O1＜O0，则用户k选择发射干扰信号模式，并令ρk＝0，
Figure BDA00020464661000000614
(4)更新λ如下，
Figure BDA00020464661000000615
其中正数θ为更新的步长。如果λ收敛，则算法结束，输出用户模式选择变量ρk,k＝1，...，K和基站发射功率控制变量p；否则返回步骤(2)。
步骤(3)中，可对用户顺序进行M≥1次随机化，将平均保密和速率最大的一次随机化时的结果作为最终结果。
图3为不同方法下的平均保密和速率相对于
Figure BDA0002046466100000071
的变化示意图。通过观察可以发现，平均保密和速率随着
Figure BDA0002046466100000072
的增大而增大，说明可以通过提高
Figure BDA0002046466100000073
来提高多播网络的保密性能。在这些方法中，本发明所提方法的平均保密和速率最高，验证了该方法能有效提高多播网络平均保密和速率。此外，参考方法3和参考方法4的平均保密和速率都高于其他两种参考方法，说明选择部分用户作干扰者可以提高平均保密和速率。通过观察可看出，随着
Figure BDA0002046466100000074
的增大，不同方法之间的性能差距几乎没有变化，这说明
Figure BDA0002046466100000075
对这些方法的性能差异没有影响。
以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，所述多播网络中有一个基站、K个用户和一个窃听者，用户集为
Figure FDA0003169018100000011
hk、g和Ik分别是从基站到用户k、从基站到窃听者和从用户k到窃听者的信道增益，p为基站传输功率，限制其均值最大为
Figure FDA0003169018100000012
即
Figure FDA0003169018100000013
其中
Figure FDA0003169018100000014
为数学期望；其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：用户模式选择，即每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择；其中，用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量的p优化步骤如下：
(1)初始化λ为任意正数；
(2)初始化
Figure FDA0003169018100000015
(3)随机化用户顺序，对于所有用户k＝1,…,K执行以下步骤(3.a)-(3.d)；
(3.a)令
Figure FDA0003169018100000016
(3.b)令ρk＝1，根据下式计算
Figure FDA0003169018100000017
Figure FDA0003169018100000018
其中
Figure FDA0003169018100000019
根据
Figure FDA00031690181000000110
和ρk＝1得到
Figure FDA00031690181000000111
Figure FDA00031690181000000112
(3.c)令ρk＝0，根据下式计算
Figure FDA00031690181000000113
Figure FDA00031690181000000114
根据
Figure FDA0003169018100000021
和ρk＝0得到
Figure FDA0003169018100000022
(3.d)若O1≥O0，则用户k选择所述信息解码模式，并令
Figure FDA0003169018100000023
若O1<O0，则用户k选择所述发射干扰信号模式，并令
Figure FDA0003169018100000024
(4)更新λ如下，
Figure FDA0003169018100000025
其中正数θ为更新的步长，如果λ收敛，则算法结束，输出用户模式选择变量ρk,k＝1,…,K和基站发射功率控制变量p；否则返回步骤(2)；
步骤二：基站发射功率控制，选择发射干扰信号模式的用户
Figure FDA0003169018100000026
以功率qk向窃听者发送干扰信号，基站以发射功率p向所有用户传输信息，具体为：用ρk代表用户模式选择因子，ρk＝1表示用户k选择信息解码模式，ρk＝0表示用户k选择所述发射干扰信号模式，令
Figure FDA0003169018100000027
代表进行信息解码的用户集，qk为用户k的发射干扰信号的功率；多播网络的保密和速率定义为
Figure FDA0003169018100000028
其中
Figure FDA0003169018100000029
代表最大可达信息速率，
Figure FDA00031690181000000210
代表窃听者的最大可达窃听速率；通过求解如下问题来联合决定用户模式选择变量ρk和基站发射功率控制变量p：
Figure FDA00031690181000000211
Figure FDA00031690181000000212
p≥0 (3)
Figure FDA00031690181000000213
2.根据权利要求1所述的多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，其特征在于：步骤(3)中，可对用户顺序进行M≥1次随机化，将平均保密和速率最大的一次随机化时的结果作为最终结果。
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