[发明专利]认知无线电网络中基于协作干扰的安全传输方案

权利要求书

1.一种认知无线电网络中基于协作干扰的安全传输方案，其特征在于，包括：

步骤1，根据主用户的信道衰落为瑞利衰落将主用户节点之间的信道增益建模为独立的复杂高斯随机变量，使用高斯噪声进行协同干扰；

步骤2，将次级用户招募为合作干扰者，主用户建立激励机制；

主用户i将授权频谱分为α_i和1-α_i，授权频谱α_i部分用于秘密通信，授权频谱1-α_i部分被授予次级用户作为次级用户协同干扰的补偿，在授权频谱α_i部分中，主用户i和次级用户共存，主用户和次级用户同时传输机密数据和噪声，授权频谱1-α_i部分由次级用户用于自身的数据传输，将具有协作干扰的主用户i的保密速率，如下所示：

其中，表示具有协作干扰的主用户i的保密速率，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，表示主用户可以获得的安全速率，表示次级用户源节点SU_S在信道f_i中的干扰功率；

次级用户源节点SU_S在信道f_i中以干扰功率传输自身的数据，由次级用户在授权频谱1-α_i部分中获得的传输速率，如下所示：

其中，表示次级用户在授权频谱1-α_i中获得的传输速率，表示次级用户源节点SU_S在信道f_i中的干扰功率，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱，B表示信道的带宽，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差；

在N个主用户存在的情况下，次级用户总达到的传输速率，如下所示：

其中，R_J(a,P_J)表示次级用户总的可达到的传输速率，α表示主用户分配给次级用户的频谱分数，P_J表示次级用户分配给主用户的干扰功率，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，表示次级用户源节点SU_S在信道f_i中的干扰功率，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱，B表示信道的带宽，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，N表示N个主用户；

步骤3，将多个主用户和单个次级用户之间的交互建模为多领导者和单跟随者的斯坦伯格博弈，根据每位领导者预料跟随者反应的能力选择策略，使用纳什非合作方式与其他领导者竞争；

将跟随者的策略表示为其中，表示分配给主用户i的干扰功率，假设α＝[α₁,α₂,…α_N]是由所有领导者确定的策略，其中，α_i对应于由主用户i确定的保留带宽的比例，考虑到次级用户的目的是最大程度地提高次级用户总体的传输速率，则次级用户的效用函数U_S(α,P_J)，如下所示：

其中，U_S(α,P_J)表示次级用户的效用函数，C表示每单位干扰功率的成本，表示次级用户与主用户i合作时次级用户所获得的效用，表示分配给主用户i的干扰功率，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱；

对于次级用户，优化问题变成，如下所示：

max U_S(α，P_J)

s.t.P_J∈ω_S (11)

其中，U_S(α,P_J)表示次级用户的效用函数，P_J表示次级用户分配给主用户的干扰功率，α表示主用户分配给次级用户的频谱分数，ω_S表示次级用户的可行性策略集合，如下所示：

其中，P_J表示次级用户分配给主用户的干扰功率，ω_S表示次级用户的可行性策略集合，表示分配给主用户i的干扰功率，P_max表示次级用户源节点SU_S的最大可用干扰功率；

对于一个给定的主用户策略α＝(α_i,α_-i)，其中，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，α_-i表示与主用户i竞争的其它主用户的策略，被认为是公式(11)的优化方案，在优化问题(11)中，可以利用Karush-Kuhn-Tucker条件，如下所示：

其中，U_S(α,P_J)表示次级用户的效用函数，表示次级用户的最优功率分配，表示次级用户分配给主用户i的最佳干扰功率，表示分配给主用户i的干扰功率，μ表示乘数，N表示N个主用户，P_max表示次级用户源节点SU_S的最大可用干扰功率；

通过变形和重组KKT条件，得到次级用户的最优反应P_J^*(α)和乘数μ，如下所示：

其中，表示次级用户的最优功率分配，表示的解，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱，B表示信道的带宽，μ表示乘数，C表示每单位干扰功率的成本，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益；

其中，μ表示乘数，P_max表示次级用户源节点SU_S的最大可用干扰功率，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱，B表示信道的带宽，C表示每单位干扰功率的成本；

步骤4，根据所有领导者的策略被揭示，跟随者从领导者的策略集中选择最佳策略对所有领导者的策略做出反应；

每个主用户将预测次级用户对所有主用户策略的反应，并将最优性条件和约束纳入效用函数中，主用户i的效用函数，如下所示：

其中，表示主用户i的效用函数，表示次级用户分配给主用户i的最佳干扰功率，1-α_i表示授予次级用户作为其协同干扰补偿的频谱，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱；

最优策略通过解决以下公式得到：

max

s.t.α_i∈[0,1] (17)

其中，表示主用户i的效用函数，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱；

假设在没有次级用户提供协同干扰的情况下，每个主用户所获得的保密速率等于零，从主用户i源节点到主用户i目标节点的信道增益比从主用户i源节点到窃听者节点的信道增益差在协作干扰下由主用户获得的保密速率大于零，主用户愿意将主用户频谱租借给次级用户，根据公式(4)，结合条件为了保证主用户在协同干扰下获得的保密速率大于零，需要满足的条件，如下所示：

其中，表示次级用户源节点SU_S到窃听者E的信道增益，表示从主用户i的源节点PU_si到与主用户i的源节点相应的目的节点PU_Di的信道增益，表示从主用户i的源节点PU_si到恶意的窃听者E的信道增益，表示次级用户源节点SU_S到主用户目的节点PU_Di的信道增益；

其中，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，表示分配给主用户i的干扰功率；

其中，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到窃听者E的信道增益，表示从主用户i的源节点PU_si到与主用户i的源节点相应的目的节点PU_Di的信道增益，表示从主用户i的源节点PU_si到恶意的窃听者E的信道增益，表示次级用户源节点SU_S到主用户目的节点PU_Di的信道增益；

当不满足公式(18)时，对于任何给定竞争对手的策略，主用户i将拒绝租赁自己的频谱给次级用户，主用户i最好的策略固定在α_i＝1，主用户i没有参加博弈，如下所示：

其中，表示当次级用户与主用户i合作时所获得的效用，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，α_-i表示与主用户i竞争的其它主用户的策略；

当满足公式(18)时，将公式(14)代入(19)，公式(19)被重新表示为：

其中，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，μ表示乘数，μ≥0，C表示每单位干扰功率的成本，B表示信道的带宽，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益；

将公式(14)和公式(22)代入公式(17)中，则优化问题表示为：

max

s.t.

其中，表示主用户i的效用函数，表示主用户策略的可行性集合，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，α_-i表示与主用户i竞争的其它主用户的策略；

其中，表示主用户策略的可行性集合，表示主用户i分配给次级用户频谱分数大小的范围集合，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，α_-i表示与主用户i竞争的其它主用户的策略；

其中，表示主用户策略的可行性集合，表示主用户i分配给次级用户频谱分数大小的范围集合，α_i表示用于主用户秘密通信的频谱，α_-i表示与主用户i竞争的其它主用户的策略，μ表示乘数，μ≥0，C表示每单位干扰功率的成本，B表示信道的带宽，σ²表示每条链路的独立加性高斯白噪声的方差，表示次级用户源节点SU_S到次级用户目的节点SU_D之间的信道增益。