CN110650480B - 面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法 - Google Patents

面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法,用于保护无线通信免受窃听威胁。以最大化系统总保密速率为目标,提出一种中继与干扰节点选择方法,其选择一部分节点作为中继节点协助转发源信号,选择另一部分节点作为干扰节点发送人工噪声干扰窃听者,基于Q学习对每一个节点的模式选择进行优化学习,得到节点选择的最终方案。该方法可以决策每一个节点的模式选择,得到保密性能最好的节点选择方案,以获得更高的系统保密速率。

Description

面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法
技术领域
本发明涉及一种无线网络中继与干扰节点的选择方法,尤其是一种面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法,可以提升系统的保密性能,属于无线通信技术领域
背景技术
随着互联网、智能家居以及移动端设备的普及,无线网络已经变成我们日常生活中不可或缺的一部分,被广泛应用于民用及军事领域。然而,由于无线通信开放和广播的特性,以移动通信网络为代表的无线网络极易受到窃听者的攻击。窃听者通过攻击来获取权限并修改信息,或者阻断信息的传输。因此,安全问题便成为了无线网络应用中的关键问题,能够安全的进行数据通信的能力尤为重要,物理层安全通过利用无线信道的物理特性来保证信息的安全传输。采用多天线,波束赋形等多种方式来增强物理层的安全性,尤其是中继技术。在无线通信系统中,利用中继技术不仅可以扩展通信的范围,提高网络吞吐量,还能显著提高物理层安全性,因此在无线协作网络和认知无线电网络中应用中继协作技术得到了人们的广泛关注。
近年来,利用中继协作技术来提高无线网络的物理层安全越来越受到关注。在无线协作网络中,信息传输的第一个时隙,源节点将信息发送给中继节点,在第二个时隙,中继节点转发从源节点处接收到的信息,同时干扰节点发送人为噪声干扰窃听者。因此,现已提出了一些中继协作方案。对于最佳中继选择方案,选择信噪比最高的链路对应的节点作为最佳中继节点。对于最佳联合中继及干扰选择方案,从所有能够成功解码源信号的中间节点中,选取一个性能最好的节点作为中继节点,其他的节点作为协同干扰。与现有研究不同,本发明研究具有多个中间节点的无线网络的物理层安全问题,提出新的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法,用于保护无线通信免受窃听。以最大化系统总保密速率为目标,本发明的节点选择方案中,一部分节点作为中继节点协助转发源信号,另一部分节点作为干扰节点发送人工噪声干扰窃听者,并通过Q学习方法对每一个节点的模式选择进行训练,得到节点选择的最佳方案。
发明内容
发明目的:为解决上述技术问题,本发明针对无线协作网络,提出了新的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法。提高用户传输数据的保密率,提升无线通信网络的安全性能。
技术方案:为实现上述技术效果,本发明提出以下技术方案:
本发明设计的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法考虑的场景如下:无线网络包括一个源节点,一个目的节点和N个中间节点,以及一个窃听节点;所述无线网络中每个节点都是单天线节点,噪声功率为σ2;假设源节点到目的节点存在直达链路,传输分为两个时隙,在第一个时隙中,源节点向中继节点和目的节点发送信息,在第二个时隙中,选择作为中继的节点转发从源节点处接收到的信息,同时选择作为干扰的节点向窃听者发送人工噪声。
所述节点选择方法包括步骤:
(1)参数设置:pS表示第一个时隙源节点发射功率,hS,D表示源节点到目的节点链路的信道系数,
Figure BDA0002212514510000021
表示源节点到第i个中间节点链路的信道系数,hS,E表示源节点到窃听节点链路的信道系数;在第二个时隙,记第i个中间节点发射功率为
Figure BDA0002212514510000022
表示第i个中间节点到目的节点链路的信道系数,
Figure BDA0002212514510000023
表示第i个中间节点到窃听节点链路的信道系数。
(2)所提面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法通过决策N个中间节点的模式选择,最大化系统总保密速率。优化问题为:
P1:max CS
C1:
Figure BDA0002212514510000024
μi∈{0,1},
Figure BDA0002212514510000025
i=1,2…N
其中,CS表示系统总保密速率,由CS=(CD-CE)+计算得出。μi
Figure BDA0002212514510000026
代表中间节点的模式选择,μi值为1表示第i个中间节点被选作中继,
Figure BDA0002212514510000027
值为1表示第i个中间节点被选作干扰。源-目的链路间的传输速率CD为:
Figure BDA0002212514510000028
源-窃听链路的传输速率CE为:
Figure BDA0002212514510000031
进一步的,所述求解问题模型P1的方法包括依次执行步骤(2-1)至(2-3):
(2-1)初始化:初始化迭代次数T,学习效率α,α越大代表Q学习中过去值对当前值影响越大,折现因子γ,探索因子ε(取ε为接近1的值),ε越大代表以更高的几率选取最好的动作,N个中间节点由S={S1,S2,…SN}表示,N个中间节点的动作由A={A1,A2,…AN}表示,其中动作AM∈{0,1},M=1,2,…N,动作值为1表示将中间节点选作中继,动作值为0表示将中间节点选作干扰。令Q(S,A)与R(S,A)为N行两列的矩阵,其中R(SM,AM)表示R(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值,Q(SM,AM)表示Q(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值。R(S,A)代表节点选取某个动作所获得的奖励值,其值越大则说明该行为回报越多,选取的动作越好。设置Q(S,A)初始值全为0,Q(S,A)表示节点选取某个动作时所对应的Q值,其值越大,说明节点选取这个动作能得到更大的保密速率。
(2-2)对节点集S中的所有节点顺序执行如下步骤:
(2-2-1)从节点SM的可选动作集{0,1}中选择一个动作执行,选取准则如下:产生0到1到随机数,当这个随机数比ε小时,从节点SM的可选动作集{0,1}中选择Q(SM,AM)值最高的动作执行,当这个随机数比ε大时,从{0,1}中任选一个动作执行,AM为1代表节点被选作中继,即μM=1,AM为0代表节点被选作干扰,即
Figure BDA0002212514510000032
由于前M-1个节点已决策完毕,第M个节点作为中继时的系统保密速率CM,R为:
Figure BDA0002212514510000033
第M个节点作为干扰时的系统保密速率CM,J为:
Figure BDA0002212514510000041
计算当前节点SM选取动作AM对应的奖励值R(SM,AM):
R(SM,AM)=AM(CM,R-CM,J)+(1-AM)(CM,J-CM,R)
(2-2-2)计算当前节点SM选取动作AM对应的Q(SM,AM):若未决策到最后一个节点,则
Figure BDA0002212514510000042
Q(SM+1,AM+1)代表节点SM+1选取动作AM+1所对应的Q值;否则Q(SM,AM)=R(SM,AM)。
(2-2-3)对Q(SM,AM)进行更新:
Figure BDA0002212514510000043
(2-3)判断Q(S,A)是否收敛或达到迭代次数,若是,则对任意中间节点SM∈{S1,S2…SN}选取使得Q(SM,AM)值最大的动作AM,输出每个节点及其对应的动作选择,结束算法,否则,返回步骤(2-2)。
附图说明
图1为本发明所述面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法系统场景图,
图2为本发明所述面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明设计的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法考虑的场景如下:无线网络包括一个源节点,一个目的节点和N个中间节点,以及一个窃听节点E;所述无线网络中每个节点都是单天线节点,噪声功率为σ2;假设源节点到目的节点存在直达链路,传输分为两个时隙,在第一个时隙中,源节点向中继节点和目的节点发送信息,在第二个时隙中,选择作为中继的节点转发从源节点处接收到的信息,同时选择作为干扰的节点向窃听者发送人工噪声。pS表示第一个时隙源节点发射功率,hS,D表示源节点到目的节点链路的信道系数,
Figure BDA0002212514510000059
表示源节点到第i个中继节点链路的信道系数,hS,E表示源节点到窃听节点的信道系数;在第二个时隙,记第i个中间节点发射功率为
Figure BDA0002212514510000051
表示第i个中继节点到目的节点链路的信道系数,
Figure BDA0002212514510000052
表示第i个中继节点到窃听节点链路的信道系数。
本发明的目标是通过Q学习训练决策出每一个节点的模式选择,来实现全局最佳的协作中继与干扰选择方案,最大化系统总保密速率,优化问题为:
P1:max CS
C1:
Figure BDA0002212514510000053
μi∈{0,1},
Figure BDA0002212514510000054
i=1,2…N
其中,无线通信的物理层安全性能可用系统总保密速率CS的大小来衡量,比较系统总保密速率大小即可确定最佳的节点模式选择,由CS=(CD-CE)+计算得出。μi
Figure BDA0002212514510000055
代表中间节点的模式选择,μi值为1表示第i个中间节点被选作中继,
Figure BDA0002212514510000056
值为1表示第i个中间节点被选作干扰。约束C1表示中间节点要么工作在中继模式,要么工作在干扰模式。源-目的链路的传输速率CD为:
Figure BDA0002212514510000057
源-窃听链路的传输速率CE为:
Figure BDA0002212514510000058
所提出的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法的具体流程如图2所示,包括步骤:
1)初始化:初始化迭代次数T,学习效率α,α越大代表Q学习中过去值对当前值影响越大,折现因子γ,探索因子ε(取ε为接近1的值),ε越大代表以更高的几率选取最好的动作,N个中间节点由S={S1,S2,…SN}表示,N个中间节点的动作由A={A1,A2,…AN}表示,其中动作AM∈{0,1},M=1,2,…N,动作值为1表示将中间节点选作中继,动作值为0表示将中间节点选作干扰。令Q(S,A)与R(S,A)为N行两列的矩阵,其中R(SM,AM)表示R(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值,Q(SM,AM)表示Q(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值。R(S,A)代表节点选取某个动作所获得的奖励值,其值越大则说明该行为回报越多,选取的动作越好。设置Q(S,A)初始值全为0,Q(S,A)表示节点选取某个动作时所对应的Q值,Q值越大,说明节点选取这个动作能得到更大的保密速率。
2)对节点集S中的所有节点顺序执行如下步骤:
2-1)从节点SM的可选动作集{0,1}中选择一个动作执行,选取准则如下:产生0到1的随机数,当这个随机数比ε小时,从节点SM的可选动作集{0,1}中选择Q(SM,AM)值最高的动作执行,当这个随机数比ε大时,从{0,1}中任选一个动作执行,AM为1代表节点被选作中继,即μM=1,AM为0代表节点被选作干扰,即
Figure BDA0002212514510000061
由于前M-1个节点已决策完毕,第M个节点作为中继时的系统保密速率CM,R为:
Figure BDA0002212514510000062
第M个节点作为干扰时的系统保密速率CM,J为:
Figure BDA0002212514510000063
计算当前节点SM选取动作AM对应的奖励值R(SM,AM):
R(SM,AM)=AM(CM,R-CM,J)+(1-AM)(CM,J-CM,R)
2-2)计算当前节点SM选取动作AM对应的Q(SM,AM):若未决策到最后一个节点,则
Figure BDA0002212514510000071
Q(SM+1,AM+1)代表节点SM+1选取动作AM+1所对应的Q值;否则Q(SM,AM)=R(SM,AM)。
2-3)对Q(SM,AM)进行更新:
Figure BDA0002212514510000072
3)判断Q(S,A)是否收敛或达到迭代次数,若是,则对任意中间节点SM∈{S1,S2…SN}选取使得Q(SM,AM)值最大的动作AM,输出每个节点及其对应的动作选择,结束算法,否则,返回步骤2)。

Claims (2)

1.面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法,其特征在于:所述无线网络包括:一个源节点,一个目的节点和N个中间节点,以及一个窃听节点;所述无线网络中各节点均为单天线节点,噪声功率为σ2;假设源节点到目的节点存在直达链路,传输分为两个时隙,在第一个时隙中,源节点向中继节点和目的节点发送信息,在第二个时隙中,选择作为中继的节点转发从源节点处接收到的信息,同时选择作为干扰的节点向窃听者发送人工噪声;
所述节点的选择方法包括如下步骤,
步骤1、设置参数,令pS表示第一个时隙源节点发射功率,hS,D表示源节点到目的节点链路的信道系数,
Figure FDA0003644986890000011
表示源节点到第i个中继节点链路的信道系数,hS,E表示源节点到窃听节点链路的信道系数;在第二个时隙,记第i个中间节点发射功率为
Figure FDA0003644986890000012
表示第i个中间节点到目的节点链路的信道系数,
Figure FDA0003644986890000013
表示第i个中间节点到窃听节点链路的信道系数;
步骤2、所提面向安全通信的无线网络中继与干扰节点选择方法通过决策N个中间节点的模式选择,最大化系统总保密速率,优化问题为:
P1:max CS
C1:
Figure FDA0003644986890000014
其中,P1为求解问题模型,CS表示系统总保密速率,由CS=(CD-CE)+计算得出,μi
Figure FDA0003644986890000018
代表中间节点的模式选择,μi值为1表示第i个中间节点被选作中继,
Figure FDA0003644986890000015
值为1表示第i个中间节点被选作干扰;其中源-目的链路的传输速率CD为:
Figure FDA0003644986890000016
源-窃听链路的传输速率CE为:
Figure FDA0003644986890000017
2.根据权利要求1所述的面向安全通信的无线网络中继与干扰节点的选择方法,其特征在于:所述求解问题模型P1的方法包括依次执行的如下步骤,
步骤2-1、初始化:初始化迭代次数T,学习效率α,折现因子γ,探索因子ε,N个中间节点由S={S1,S2,…SN}表示,N个中间节点的动作由A={A1,A2,…AN}表示,其中动作AM∈{0,1},M=1,2,…N,动作值为1表示将中间节点选作中继,动作值为0表示将中间节点选作干扰;令Q(S,A)与R(S,A)为N行两列的矩阵,其中R(SM,AM)表示R(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值,Q(SM,AM)表示Q(S,A)矩阵中第M行第AM+1列的元素的索引值;R(S,A)代表节点选取某个动作所获得的奖励值;设置Q(S,A)初始值全为0,Q(S,A)表示节点选取某个动作时所对应的Q值;
步骤2-2、对节点集S中的所有节点顺序执行如下步骤:
步骤2-2-1、从节点SM的可选动作集{0,1}中选择一个动作执行,由于前M-1个节点已决策完毕,第M个节点作为中继时的系统保密速率CM,R为:
Figure FDA0003644986890000021
第M个节点作为干扰时的系统保密速率CM,J为:
Figure FDA0003644986890000022
计算当前节点SM选取动作AM对应的奖励值R(SM,AM):
R(SM,AM)=AM(CM,R-CM,J)+(1-AM)(CM,J-CM,R)
步骤2-2-2、计算当前节点SM选取动作AM对应的Q值Q(SM,AM):若未决策到最后一个节点,则Q(SM,AM)=R(SM,AM)+γ*maxAM+1Q(SM+1,AM+1),Q(SM+1,AM+1)代表节点SM+1选取动作AM+1所对应的Q值;否则Q(SM,AM)=R(SM,AM);
步骤2-2-3、对Q(SM,AM)进行更新:
Figure FDA0003644986890000031
步骤2-3、判断Q(S,A)是否收敛或达到迭代次数,若是,则对任意中间节点SM∈{S1,S2…SN}选取使得Q(SM,AM)值最大的动作AM,输出每个节点及其对应的动作选择,结束算法,否则,返回步骤2-2。
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GR01 Patent grant
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