放大转发中继网络中绿色的物理层安全通信技术

发布时间：2019-11-25 15:59

【摘要】：该文基于物理层安全理论,针对能量受限的无线中继网络提出一种绿色的保密通信方案。该方案在节点功率约束和系统最小目标保密速率要求下,通过最优功率控制实现系统的安全能效最大化,并基于分式规划、对偶分解和DC(Difference of Convex functions)规划理论提出了一种迭代的功率分配算法。通过仿真比较,能效优化可以显著提升系统的安全能效,然而相对于保密速率最大化会有一定保密速率损失,这是由于能效和保密之间存在固有的折中。但是,能效优化的保密速率仍然大于发送总功率最小化的保密速率。
【图文】：

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蠊β氏拗坪拖低匙?小保密速率要求下，通过自适应功率控制最大化系统的安全能效，达到以有限的能量传输更多的保密数据。该问题的数学形式可划归为分数形式的非凸优化问题。本文运用分式规划、对偶分解，以及DC(DifferenceofConvexfunctions)规划理论，将原始优化问题逐层转化和分解，转变成一系列相对较容易的凸的子问题进行迭代求解，，并提出了一种迭代的求解算法。数值仿真表明，相比于最大化保密速率和最小化发送总功率，本文提出的安全能效最大化算法能大大提高系统能效。2系统模型与问题建模2.1AF中继模型如图1所示，源节点要传输保密数据给目的节点，由于受到障碍物遮挡，需寻求M个中继节点进行信息转发。中继节点采用AF中继方式，这种中继方式只是将接收到的信号放大后转发给目的节点，因此实现复杂度比较低。另外，即使源节点到中继节点的信道条件较差，由于中继节点不需要解码，故而AF中继方式依然能够起到协作传输的作用。在实际通信过程中，为了降低协作传输的复杂度，放大转发是比较合适的选择。在该系统中存在一个非法用户，试图窃听保密数据。假设窃听者不便于靠近源节点，比如不知道源节点具体位置或者源节点处于移动中。为了达到更好的窃听效果，窃听者努力使自己和目的节点处于同一区域。为了降低被窃听到的概率，在传输的第1时隙源节点以很图1存在窃听者的AF中继网络模型低的固定功率广播保密信息，只使中继节点能够接收到。这样，源节点和目的节点以及窃听者之间没有直达链路。假设所有节点都是单天线的，以半双工模式工作。所有信道是相互独立的准静态平坦瑞利衰落信道[10]。另外，假设发送端知道精确的信道状态信息。在有些实际场景中，精确的信道状态信息是可以获得的，比如窃听者在网络中是

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846电子与信息学报第38卷图2仿真节点配置示意图设置如下：M=5,0r500jP=mW,2s=-100dBm/Hz,0r=1bit/(sHz),h=0.4；路径损耗指数设为3.5;sp,scp,rcp和dcp都设为10mW。我们进行1000次蒙特卡洛仿真求取平均值。首先，图3比较了当窃听者处于不同位置时3种方案的平均安全能效。设置srd=200m,sdd=700m;sed从400m向1000m变化。由图3可见，本文的安全能效最大值算法达到的平均安全能效明显优于保密速率最大化和发送总功率最小化的平均安全能效。当窃听者离源和中继节点越来越远时，合法信道相对于窃听信道越来越强，故安全能效最大化和保密速率最大化的平均能效曲线是递增的。然而，发送总功率最小化方案的平均能效曲线波动很小，这是由于该方案给中继节点分配的功率刚好达到最小目标保密速率要求。采用和图3相同的仿真设置，图4比较了窃听者位置变化时3种方案的平均保密速率。对比图3和图4可见，相对于保密速率最大化，本文的安全能效优化会有一定的保密速率损失，这是因为安全能效和保密速率之间存在固有的折中。但是安全能效优化所能达到的保密速率依然远大于发送总功率最小化所达到的保密速率。我们知道，在不考虑安全约束的常规通信中，能效和数据速率之间存在固有的折中。类似的折中也存在于物理层安全中。由于安全能效是保密速率和发送总功率的比值，为了达到最大的安全能效，可能需要以相对较小的功率发送数据，这时达到的保密速率可能也会较校从另一方面来说，为了达到更大的保密速率，必然需要消耗更高的功率，这可能会使二者的比值(即安全能效)降低。也就是说，与最大化保密速率相比，最大化安全能效会以“牺牲”一定的保密速率为代价。但是，本文提出的安全能效优?

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