[发明专利]一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法

说明书

本发明提供了一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法，对网络中的主、次用户按照分布式匹配方法进行匹配；成功配对的主用户在配对的次用户协助下根据匹配得到的保密速率在(1‑α)*T时隙时间内进行传输，成功配对的次用户在剩余α*T时隙时间进行自己的传输。未匹配的主用户如果直接传输保密速率高于最小保密速率要求，就以直接传输保密速率在T时隙时间内传输。本发明利用频谱资源激励多个主、次用户达成匹配关系，次用户通过协作主用户的保密传输获得频谱资源，在提升主用户保密速率的同时，为次用户创造了更多的传输机会。所有参与协作安全传输的用户能够获得更加合理的频谱资源，充分调动了次用户参与协作的积极性。

技术领域

本发明属于认知无线电通信领域，涉及无线网络物理层安全传输方法，具体涉及一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源短缺问题日益凸显出来。认知无线电技术作为一种有效缓解频谱资源短缺问题的方法得到越来越多的重视和研究。认知无线电技术旨在保证授权用户服务质量的基础上使非授权用户可以共享授权用户的频谱资源，从而提升频谱的利用效率。

认知无线电技术的推广使用可以有效提升现有频谱资源的利用率，但其动态开放的频谱特性也使其更易受到恶意节点的窃听，面临更大的安全威胁。和传统密码学在网络架构上层的应用不同，物理层安全技术主要研究如何利用无线网络中物理层信道的特征，实现绝对意义上的安全通信，即可以在没有高层加密或者被窃听者窃取密钥的情况下仍然能提供有效的保密通信。在物理层安全技术中，为了衡量网络的安全性能，保密速率的概念被提出。协作中继和协作干扰是两种重要的提升保密速率的协作手段。在认知无线网络中利用协作中继和协作干扰来提升保密速率的障碍之一就是缺少激励。网络内的用户都属于不同的实体，并不愿意主动协助其他用户进行物理层安全通信。基于此，已经有研究利用频谱资源来激励次用户为主用户提供协作安全服务。然而，这些研究多关注于单一主用户下的辅助场景，这造成了主用户处于利益的垄断地位，因为次用户会尽可能的选择接受主用户的要求以获得频谱资源，处于劣势地位。

发明内容

针对上述问题，本发明考虑了多个主用户的情形，对于存在多个自私主、次用户和窃听者的认知无线电网络场景，利用频谱资源激励多个主、次用户达成匹配关系，次用户通过协作主用户的保密传输获得频谱资源，以D2D(Device-to-Device，终端直通)的方式直接向其目标传输信息，在提升主用户保密速率的同时，为次用户创造了更多的传输机会。基于此，本发明提出一种基于匹配论的认知无线网络物理层安全传输方法，基于以下系统实现：

系统是一个由M个主用户、1个作为主用户接收节点的基站b、K个窃听者、N个D2D次用户和相应的D2D次用户接收节点组成的认知无线网络，其中主网络共有M条独立的信道，基站b允许所有主用户同时传输数据，每一个主用户都各自拥有一条独立信道的使用权，并试图在有窃听者存在的情况下进行安全传输；D2D次用户则试图得到接入某一条信道的权利，以D2D方式向其目标接收节点直接进行信息传输。PU_m表示第m个主用户，E_k表示第k个窃听者，SU_n和D_n分别表示第n个次用户和它的接收节点，主用户索引集为次用户和次用户传输目标的索引集为窃听者索引集为ε＝{1,...,K}，主用户PU_m,最小保密速率需求为次用户SU_n,最小传输速率需求为最小保密速率需求和最小传输速率需求均可由用户根据业务需求和网络状况自行决定。

主用户为了提高传输时的保密速率，需要将拥有的传输时隙分成两部分，分别称为协助阶段和奖励阶段。在协助阶段，主用户使用长为(1-α)*T的时隙时间来传输信息，同时由一个D2D次用户来协助安全传输；在奖励阶段，主用户将剩余的α*T时隙时间作为酬劳奖励给进行协助的D2D次用户用于它自己的传输。其中，T是时隙长度，α是奖励时间因子，是奖励阶段时长和时隙总长度的比值。对于协助阶段主用户的传输，根据相关的信道条件，D2D次用户可能提供的两种的协助行为是：协同传输和友善干扰。