發(fā)布時間：2019-11-25 15:59

【摘要】：該文基于物理層安全理論,針對能量受限的無線中繼網(wǎng)絡(luò)提出一種綠色的保密通信方案。該方案在節(jié)點功率約束和系統(tǒng)最小目標保密速率要求下,通過最優(yōu)功率控制實現(xiàn)系統(tǒng)的安全能效最大化,并基于分式規(guī)劃、對偶分解和DC(Difference of Convex functions)規(guī)劃理論提出了一種迭代的功率分配算法。通過仿真比較,能效優(yōu)化可以顯著提升系統(tǒng)的安全能效,然而相對于保密速率最大化會有一定保密速率損失,這是由于能效和保密之間存在固有的折中。但是,能效優(yōu)化的保密速率仍然大于發(fā)送總功率最小化的保密速率。
【圖文】：

蠊β氏拗坪拖低匙?小保密速率要求下，通過自適應(yīng)功率控制最大化系統(tǒng)的安全能效，達到以有限的能量傳輸更多的保密數(shù)據(jù)。該問題的數(shù)學(xué)形式可劃歸為分數(shù)形式的非凸優(yōu)化問題。本文運用分式規(guī)劃、對偶分解，以及DC(DifferenceofConvexfunctions)規(guī)劃理論，將原始優(yōu)化問題逐層轉(zhuǎn)化和分解，轉(zhuǎn)變成一系列相對較容易的凸的子問題進行迭代求解，，并提出了一種迭代的求解算法。數(shù)值仿真表明，相比于最大化保密速率和最小化發(fā)送總功率，本文提出的安全能效最大化算法能大大提高系統(tǒng)能效。2系統(tǒng)模型與問題建模2.1AF中繼模型如圖1所示，源節(jié)點要傳輸保密數(shù)據(jù)給目的節(jié)點，由于受到障礙物遮擋，需尋求M個中繼節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。中繼節(jié)點采用AF中繼方式，這種中繼方式只是將接收到的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，因此實現(xiàn)復(fù)雜度比較低。另外，即使源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道條件較差，由于中繼節(jié)點不需要解碼，故而AF中繼方式依然能夠起到協(xié)作傳輸?shù)淖饔�。在實際通信過程中，為了降低協(xié)作傳輸?shù)膹?fù)雜度，放大轉(zhuǎn)發(fā)是比較合適的選擇。在該系統(tǒng)中存在一個非法用戶，試圖竊聽保密數(shù)據(jù)。假設(shè)竊聽者不便于靠近源節(jié)點，比如不知道源節(jié)點具體位置或者源節(jié)點處于移動中。為了達到更好的竊聽效果，竊聽者努力使自己和目的節(jié)點處于同一區(qū)域。為了降低被竊聽到的概率，在傳輸?shù)牡?時隙源節(jié)點以很圖1存在竊聽者的AF中繼網(wǎng)絡(luò)模型低的固定功率廣播保密信息，只使中繼節(jié)點能夠接收到。這樣，源節(jié)點和目的節(jié)點以及竊聽者之間沒有直達鏈路。假設(shè)所有節(jié)點都是單天線的，以半雙工模式工作。所有信道是相互獨立的準靜態(tài)平坦瑞利衰落信道[10]。另外，假設(shè)發(fā)送端知道精確的信道狀態(tài)信息。在有些實際場景中，精確的信道狀態(tài)信息是可以獲得的，比如竊聽者在網(wǎng)絡(luò)中是

846電子與信息學(xué)報第38卷圖2仿真節(jié)點配置示意圖設(shè)置如下：M=5,0r500jP=mW,2s=-100dBm/Hz,0r=1bit/(sHz),h=0.4；路徑損耗指數(shù)設(shè)為3.5;sp,scp,rcp和dcp都設(shè)為10mW。我們進行1000次蒙特卡洛仿真求取平均值。首先，圖3比較了當竊聽者處于不同位置時3種方案的平均安全能效。設(shè)置srd=200m,sdd=700m;sed從400m向1000m變化。由圖3可見，本文的安全能效最大值算法達到的平均安全能效明顯優(yōu)于保密速率最大化和發(fā)送總功率最小化的平均安全能效。當竊聽者離源和中繼節(jié)點越來越遠時，合法信道相對于竊聽信道越來越強，故安全能效最大化和保密速率最大化的平均能效曲線是遞增的。然而，發(fā)送總功率最小化方案的平均能效曲線波動很小，這是由于該方案給中繼節(jié)點分配的功率剛好達到最小目標保密速率要求。采用和圖3相同的仿真設(shè)置，圖4比較了竊聽者位置變化時3種方案的平均保密速率。對比圖3和圖4可見，相對于保密速率最大化，本文的安全能效優(yōu)化會有一定的保密速率損失，這是因為安全能效和保密速率之間存在固有的折中。但是安全能效優(yōu)化所能達到的保密速率依然遠大于發(fā)送總功率最小化所達到的保密速率。我們知道，在不考慮安全約束的常規(guī)通信中，能效和數(shù)據(jù)速率之間存在固有的折中。類似的折中也存在于物理層安全中。由于安全能效是保密速率和發(fā)送總功率的比值，為了達到最大的安全能效，可能需要以相對較小的功率發(fā)送數(shù)據(jù)，這時達到的保密速率可能也會較校從另一方面來說，為了達到更大的保密速率，必然需要消耗更高的功率，這可能會使二者的比值(即安全能效)降低。也就是說，與最大化保密速率相比，最大化安全能效會以“犧牲”一定的保密速率為代價。但是，本文提出的安全能效優(yōu)?

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