[发明专利]一种考虑安全的无线多跳网络路由选择和功率分配方法

说明书

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。

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。