[发明专利]一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法

说明书

本发明公开了一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法，其传输过程为：首先，在窃听者服从泊松簇过程这一假设下推导得到了系统安全中断概率和连接中断概率的表达式；接着，在安全中断概率满足给定阈值的情况下，以连接中断概率最小为目标，针对给定路径推导得到了源与各跳中继的最优传输功率；最后，根据求得的最优传输功率进一步推导父亲节点位置未知和已知两种情况下的最优路由。本发明提供一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法，将窃听者的位置建模为PCP分布，兼顾了无线自组织网络信息传输的安全性和可靠性，在安全中断概率满足给定阈值的条件下使连接中断概率达到最小。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法。

背景技术

无线通信技术近几十年取得了迅猛发展，各种新型的无线通信网络形态，如无线传感器网络、短距离无线超宽带网络、以及无线自组织网络等不断涌现并趋向成熟。其中，无线自组织网络以无中心、自组织、无需基础设施等特点被广泛应用于军事、交通、救援等各种领域。在无线自组织网络中，受节点发射功率限制，信息传输大多需要通过中继节点的多跳转发才能满足合法通信双方的通信需求。在无线场景下，信道的开放性特征使得信息在传播过程中被窃听或攻击的风险加大，从而造成信息泄露。对无线自组织网络而言，其自组织的部署特性使窃听节点的广泛存在成为可能，而多跳传输的特点则会给窃听者提供更多的窃听机会，造成极大的安全隐患。鉴于此，迫切需要展开无线多跳自组织网络的传输安全性研究。

近年来，物理层安全通信技术成为无线通信系统中信息安全领域新的研究热点，常采用多天线、协作通信、波束赋型以及人工加噪等物理层安全技术手段。针对无线多跳自组织网络，除了采用以上技术手段外，还可以通过功率分配和路由选择来提高系统的安全性能。研究中常以安全中断概率为指标求其路由选择或功率分配问题，并未考虑系统的可靠性指标。并且在研究中常假设已知合法节点和窃听节点的信道状态信息。然而在实际情况中，窃听节点往往工作在被动状态下，其相关信息很难获得。针对该情况，常将窃听者的位置建模为PPP(Poisson Point Process)分布。然而由于地理因素的影响，节点可能是聚类的分布，例如移动用户常聚集在人口密集的城市周围，这时窃听者位置一般假设为分簇的分布模型。另外即使当窃听节点服从PPP分布，参与窃听活动的节点子集也很可能不是均匀分布的，此时PPP分布就不能提供准确的模型。为此，提出使用泊松簇过程(PCP，PoissonCluster Process)对窃听者的位置进行建模。泊松簇过程由父亲点的点过程及依附在其周围的子女点的点过程共同构成，一般用来给具有随机聚集特性的空间分布进行建模。

综上，现有技术中无线自组织网络信息传输存在不能兼顾安全性和可靠性，即在安全中断概率满足给定阈值的条件下，连接中断概率不够小。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法，将窃听者的位置建模为PCP分布，综合考虑无线自组织网络信息传输的安全性和可靠性，解决了现有技术中无线自组织网络信息传输安全性和可靠性不能兼顾，即在安全中断概率满足给定阈值的条件下，连接中断概率不够小的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种面向物理层安全的联合功率优化和路由选择方法，具体操作包括如下过程：

步骤1：在窃听者服从PCP分布的情况下，无线多跳自组织网络包含一个源节点S、一个目的节点D、多个备选中继节点和多个窃听节点，该网络的整个传输过程分K跳完成；

步骤2：在任意一跳中一个或多个窃听者的信噪比高于给定阈值γ_e时，窃听者可以解码该消息而发生中断的概率，即安全中断概率P_so；

在接收者的信噪比低于给定阈值γ_c时，接收者不能正确解码该消息而发生中断的概率，即连接中断概率P_co；