《電子技術(shù)應(yīng)用》
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協(xié)作譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的安全能效分析
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
李 燕,楊守義,石露露,張瑞哲
鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 鄭州450001
摘要: 基于物理層安全理論,研究了存在竊聽用戶情形下協(xié)作譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的安全能效問題。安全能效,即消耗單位能量所能傳輸?shù)谋C苄畔⒘?。在滿足各節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率約束和中繼處最小譯碼速率要求下,通過功率控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全能效最大化。針對(duì)目標(biāo)函數(shù)非凸問題,利用分式規(guī)劃和DC(Difference of Convex functions)規(guī)劃理論把目標(biāo)函數(shù)分解為子函數(shù)通過迭代來進(jìn)行優(yōu)化求解。仿真結(jié)果表明,能效優(yōu)化可以顯著提升系統(tǒng)的安全能效。
中圖分類號(hào): TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.025
中文引用格式: 李燕,楊守義,石露露,等. 協(xié)作譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)中的安全能效分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(2):102-106,111.
英文引用格式: Li Yan,Yang Shouyi,Shi Lulu,et al. Secure energy-efficiency analysis for collaborative decode-and-forward relay networks[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):102-106,111.
Secure energy-efficiency analysis for collaborative decode-and-forward relay networks
Li Yan,Yang Shouyi,Shi Lulu,Zhang Ruizhe
School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China
Abstract: Based on the theory of physical layer security, this research analyzes the secure energy-efficiency in collaborative decode-and-forward relay network with the existence of eavesdropper. Secure energy-efficiency(EE), which is defined as the secret bits transferred with unit energy, is maximized by power allocation with constrains of maximum transistor power of all nodes and minimum decode rate of relay. To copy with the nonconvexity of objective function, this paper converts the primary problem into simple subproblem to solve through iteration by jointly applying fractional programming and difference of convex functions programming. The simulation results show that the power allocation can significantly improve the secure energy-efficiency of system.
Key words : collaborative communication;decode-and-forward(DF);secure energy-efficiency

0 引言

    由于無線信道的廣播特性和開放性,第三方用戶極易竊聽到在此信道中傳輸?shù)臋C(jī)密信息。因此,無線網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸問題變得越來越重要。提高無線通信安全的方法主要有網(wǎng)絡(luò)層密鑰加密技術(shù)和物理層信息安全技術(shù)兩種。密鑰加密從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議出發(fā)[1],通過加密算法可以較好保證無線網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸,但是其破解算法往往很快出現(xiàn),因此需要尋求更有效的安全傳輸方式。基于信息論的物理層安全技術(shù)[2]充分利用無線信道的傳播特性,不存在密鑰管理和分發(fā)問題,與加密技術(shù)互為補(bǔ)充,可進(jìn)一步保障無線通信的安全傳輸,近年來受到廣泛關(guān)注。

    在現(xiàn)有關(guān)于物理層安全的文獻(xiàn)中,研究者著眼于通過資源分配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保密速率最大化或者在滿足最低保密速率要求下使系統(tǒng)總發(fā)射功率最小[3,4]。然而,這兩種優(yōu)化策略都不能實(shí)現(xiàn)能量利用效率最優(yōu)。為了解決這個(gè)問題,文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]研究了存在竊聽節(jié)點(diǎn)的中繼網(wǎng)絡(luò)中,通過功率控制和中繼選擇使系統(tǒng)的安全能效最大化。文獻(xiàn)[7]基于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò),研究了滿足峰值功率約束和干擾約束情形下系統(tǒng)的中斷概率和安全能效。文獻(xiàn)[8]研究了惡意用戶、合法用戶數(shù)量和判決閾值對(duì)安全能效的影響。文獻(xiàn)[9]在物理層安全中引入密鑰矩陣,研究了在保證安全通信的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)峰均比、帶寬等性能的影響??傊F(xiàn)存研究都沒有考慮頻譜共享機(jī)制中的安全能效問題。

    因此,本文研究了基于協(xié)作中繼傳輸?shù)念l譜共享機(jī)制下物理層安全能效問題。在所研究的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,認(rèn)知用戶發(fā)送端在第二時(shí)隙作為中繼為授權(quán)用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)xp,并利用功率分配因子α和1-α分別對(duì)譯碼得到的xp信號(hào)和認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)xs線性疊加后轉(zhuǎn)發(fā),提高授權(quán)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量,從而得到頻譜接入機(jī)會(huì)。竊聽節(jié)點(diǎn)意圖攔截并譯碼xp和xs信號(hào)。基于此傳輸機(jī)制,本文的目的是在滿足峰值功率約束和譯碼速率限制下,通過功率分配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全能效最大化。

1 系統(tǒng)模型與問題闡述

1.1 協(xié)作頻譜共享中繼模型

    如圖1所示,由于無線信道的廣播,第三方用戶極易竊聽到覆蓋網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)傳輸?shù)臋C(jī)密信息。假設(shè)此認(rèn)知無線電協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)竊聽用戶(E),因竊聽用戶距PT較遠(yuǎn),第一時(shí)隙接收數(shù)據(jù)時(shí)受衰落影響較大,本文不考慮PT和E節(jié)點(diǎn)之間的直傳鏈路。用xp和xs分別表示授權(quán)網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送信號(hào),PT和ST的發(fā)射功率分別表示為pp、ps。信道鏈路和對(duì)應(yīng)距離如圖1所示,各節(jié)點(diǎn)均采用單天線半雙工工作方式。信道系數(shù):

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    整個(gè)傳輸過程分為兩個(gè)時(shí)隙:第一時(shí)隙,PT廣播信號(hào)xp,則PR、ST、SR的接收信號(hào)為:

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    因?yàn)镾R知悉信道系數(shù)h3,所以可以根據(jù)第一時(shí)隙接收到的xp信號(hào)消去式(8)中干擾信號(hào)項(xiàng),則SR節(jié)點(diǎn)處的信噪比和可達(dá)數(shù)據(jù)速率分別為:

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    竊聽節(jié)點(diǎn)若能正確譯碼第一時(shí)隙接收到的數(shù)據(jù),加上能夠獲得信道系數(shù)h6,那么能把授權(quán)用戶信號(hào)xp和認(rèn)知用戶信號(hào)xs區(qū)分開,此時(shí)竊聽節(jié)點(diǎn)處的信噪比和可達(dá)速率分別為:

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1.2 功率消耗模型 

    整個(gè)傳輸過程分為兩個(gè)時(shí)隙,所以系統(tǒng)消耗的總功率應(yīng)為兩個(gè)時(shí)隙消耗功率之和。PT第一時(shí)隙廣播信號(hào),而在第二時(shí)隙保持靜默,所以PT節(jié)點(diǎn)的能量消耗為:

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1.3 問題建模

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    為了使能量利用更加高效,使系統(tǒng)的安全能效達(dá)到最優(yōu)。目標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)為:

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2 算法設(shè)計(jì)

    由于目標(biāo)函數(shù)非凸,所以無法應(yīng)用凸優(yōu)化方法進(jìn)行求解。為此,利用分式規(guī)劃、DC規(guī)劃理論,把目標(biāo)函數(shù)逐層轉(zhuǎn)化為子問題進(jìn)行求解。

2.1 基于分式規(guī)劃的外層迭代

    目標(biāo)函數(shù)是分?jǐn)?shù)形式,因此可以利用分式規(guī)劃對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為了保證正確譯碼,ST節(jié)點(diǎn)的可達(dá)數(shù)據(jù)速率需滿足RST≥R0。通過式(3)可得:

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    若滿足式(28),則迭代終止,否則進(jìn)入下一次迭代,式中ε>0,為分式規(guī)劃的迭代精度。

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2.2 基于DC規(guī)劃的內(nèi)層迭代

    對(duì)于固定的ui,由于目標(biāo)函數(shù)非凸,求解依然困難,因此,引入DC規(guī)劃理論。

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因此,{B(pk)-D(pk)}是遞減的。證畢。

    迭代過程是遞減的,而且是收斂的,關(guān)于收斂性的證明過程,詳見文獻(xiàn)[11]。當(dāng)滿足式(37)時(shí),迭代過程終止。

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2.3 算法總結(jié)

    本文所提算法首先基于分式規(guī)劃將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為關(guān)于u的參數(shù)規(guī)劃,然后通過迭代方法進(jìn)行求解。總共包括2層循環(huán):最內(nèi)層是DC規(guī)劃求解問題式(26),最外層是分式規(guī)劃,運(yùn)用內(nèi)層得到的功率求解原始問題對(duì)應(yīng)的參數(shù)規(guī)劃問題式(30)。

    算法1:安全能效最大化迭代算法

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3 仿真結(jié)果及性能分析

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    采用和圖2相同的節(jié)點(diǎn)位置,圖3比較了竊聽節(jié)點(diǎn)處于不同位置時(shí)2種方案的平均安全能效。由圖3可見,本文所提算法達(dá)到的平均安全能效明顯優(yōu)于保密速率最大化的平均安全能效。當(dāng)竊聽節(jié)點(diǎn)離PT和ST節(jié)點(diǎn)越來越遠(yuǎn)時(shí),相比合法信道,竊聽信道衰落越來越強(qiáng),導(dǎo)致Re越來越小,因此兩種優(yōu)化方案的平均能效曲線均是遞增的。

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    采用和圖3相同的節(jié)點(diǎn)位置,圖4比較了竊聽節(jié)點(diǎn)處于不同位置時(shí)兩種方案的平均保密速率。由圖4可見,相對(duì)于保密速率最大化,安全能效最大化下的保密速率有一定損失。這是因?yàn)楸C芩俾屎瘮?shù)是關(guān)于Pp的單調(diào)增函數(shù),在滿足(1-α)r5-r6>0時(shí)是關(guān)于Ps的單調(diào)增函數(shù)。所以,為了達(dá)到更大的保密速率,必然會(huì)消耗更高的功率,但此時(shí)的安全能效可能不是最優(yōu)的。換言之,為了達(dá)到安全能效最大化,可能以較小的功率發(fā)送數(shù)據(jù),但此時(shí)達(dá)到的保密速率也較小,即安全能效和保密速率之間存在折中。此外,兩種方案均是α越大,平均保密速度越低,因?yàn)棣猎酱螅脕韨鬏斦J(rèn)知用戶數(shù)據(jù)的功率越小,從而Rs越小,另一方面,用來傳輸授權(quán)用戶數(shù)據(jù)的功率越來越大,但Rp∝1+Ppr1+α/(1-α),Rp隨α增大而增大的幅度十分有限,因此系統(tǒng)的保密速率隨α增大而下降。

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4 結(jié)論

    在所提的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知用戶發(fā)送端通過疊加碼在為授權(quán)用戶完成協(xié)作傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)自己的通信目標(biāo),改變了傳統(tǒng)的兩時(shí)隙傳輸機(jī)制[12]。此外,基于物理層安全的傳輸方案中,能效和數(shù)據(jù)速率之間的折中問題依然存在。本文針對(duì)安全能效函數(shù)非凸,利用分式規(guī)劃和DC規(guī)劃對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分解,從而通過迭代方法完成功率優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全能效最大化。

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作者信息:

李  燕,楊守義,石露露,張瑞哲

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 鄭州450001)

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