本发明公开了一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法。本发明方法首先针对分布着窃听节点的中继系统，基于中继节点的缓冲区特性，建立中继安全传输系统框架；然后在保证安全中断概率低于一定门限的同时，建立以最大化中继安全吞吐量为目标的速率控制问题；问题求解过程中着重设计了一种初始点选取方法，最后在得到的初始点基础上通过凸优化方法求解得到节点的发送速率和安全速率。本发明方法基于统计信道状态信息，通过控制速率优化中继系统的安全吞吐量，通信开销小，适合窃听信道场景，能有效提高中继系统进行物理层安全传输时的效率。
1.一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1).输入中继系统的关键参数，包括信道衰落参数，节点发送功率 中继接收天线数NR，中继发射天线数NT，窃听节点数NE，通信中断门限γth，安全中断概率预设门限η；
步骤(2).评估安全性能，根据系统参数计算中继系统的安全中断概率，进而根据安全中断门限计算得到辅助参量ξ；具体方法是：(2-1).计算中继系统的安全中断概率，
其中 表示中继节点的安全速率， 表示中继节点的发送速率， 为窃听信道R-Ei的容量；
步骤(3).平衡中继缓冲区，计算中继节点的平均输入速率 和平均输出速率 构建中继缓冲区流量平衡方程；具体方法是：(3-1).根据信道衰落特征，计算链路的通信中断概率，其中 表示链路S-R的通信中断概率， 分别表示链路R-D在半双工(HD)和全双工(FD)模式下的通信中断概率； 是链路S-R信噪比的概率密度函数， 分别是链路R-D在半双工和全双工模式下的信噪比的概率密度函数；
(3-2).计算中继节点的平均输入速率 和平均输出速率其中 表示链路S-R不发生中断的概率， 表示源节点的发送速率， 表示链路R-D在半双工模式下可用而在全双工模式下发生中断的概率；
其中 表示链路R-D在中继半双工模式下不发生中断的概率；
步骤(4).构建优化问题：计算中继系统的安全吞吐量，构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题，即第一问题；
步骤(5).寻找初始点：计算得到中继平均输入速率的极大值点，以极大值点为基准，搜索得到满足流量平衡方程的平衡点，并将平衡点作为速率控制算法的起始点；
步骤(6).输出最优解：利用典型的凸优化算法，从初始点不断迭代，直到算法收敛，输出节点速率和相应的安全吞吐量。
2.如权利要求1所述的一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，其特征在于，步骤(4)的具体方法是：(4-1).根据得到的中继平均输入和输出速率，计算中继系统的安全吞吐量(4-2).构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题，即在满足安全中断概率不超过给定门限的情况下，通过调整节点的发送速率和安全速率，使中继系统的安全吞吐量最大化，即第一问题：
3.如权利要求1所述的一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，其特征在于，步骤(5)的具体方法是：(5-1).计算得到中继平均输入速率的极大值点，通过令中继平均输入速率关于源节点速率的偏导数为零， 得到方程的解(5-2).若存在一个中继发送速率 使得 满足平衡方程 则将设为初始点，否则通过搜索算法最小的 使得 满足 并将设为初始点；
(5-3).将初始点代入第一问题，得到 记当前最优解
4.如权利要求1所述的一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，其特征在于，步骤(6)的具体方法是：(6-1).采用内点法，设置算法收敛门限和迭代步长，引入新的常量t，构造对数障碍函数 ， 将第 一问 题转 化为 新的 约束问 题 ，即 第二问 题 ：(6-2).以 为初始点，求解第二问题，得到的解记为(6-3).设置新的初始点，记为
(6-4).若t的取值小于等于给定门限，则增加t的取值，返回步骤(6-1)；若t的取值大于给定门限,说明算法收敛,进入下一步；
(6-5).输出节点发送速率 安全速率 和相应安全吞吐量
一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，尤其是无线通信中的安全技术领域，具体涉及一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法。
背景技术
[0002] 由于无线信道具有开放特性，合法节点发送的信号可能会被窃听者监听，因此引发人们对安全问题的广泛关注。由于物理层安全传输技术能够达到信息理论意义上的安全性，因此成为安全通信的研究热点。
[0003] 典型的中继系统能够确保一对收发节点之间的有效可靠传输，却未考虑到中继节点可能被其他节点窃听的情况，从而安全性无法保证。因此，需要设计一个合理的中继传输机制同时达到系统的可靠、有效、安全传输。
[0004] 现有的物理层安全传输技术主要考虑如何提高中继传输的安全性，缺少对通信节点传输速率的优化，因此当合法信道经历深衰落时，中继系统的传输效率较低。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是提供种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，针对多天线中继系统在多窃听节点环境下的传输，其中带缓冲区中继节点的中继传输机制，通过调整源节点和中继节点的发送速率，使得中继系统的安全吞吐量最大化。所涉及的速率控制方法要求已知各条链路的统计信道状态信息。
[0006] 本发明方法的具体步骤如下：
[0007] 步骤(1).输入中继系统的关键参数，包括信道衰落参数，节点发送功率 中继接收天线数NR，中继发射天线数NT，窃听节点数NE，通信中断门限γth，安全中断概率预设门限η。
[0008] 步骤(2).评估安全性能，根据系统参数计算中继系统的安全中断概率，进而根据安全中断门限计算得到辅助参量ξ；具体为：
[0009] (2-1).计算中继系统的安全中断概率，其中 表示中继节点的安全速率， 表示中继节点的发送速率， 为窃听信道R-Ei的容量；Qsec可进一步表示为速率 和 的函数，具体表示形式取决于衰落信道分布，表示源节点的发送速率。
[0010] (2-2).引入辅助参量ξ，使得中继发送速率和安全速率同时满足Qsec＝η，[0011] 步骤(3).平衡中继缓冲区，具体为：
[0012] (3-1).根据信道衰落特征，计算链路的通信中断概率，其中表示链路S-R的通信中断概率， 分别表示链路
R-D在半双工(HD)和全双工(FD)模式下的通信中断概率； 是链路S-R信噪比的概率密度函数， 分别是链路R-D在半双工和全双工模式下的信噪比的概率密
度函数，具体形式取决于衰落信道分布。
[0013] (3-2) .计算中继节点的平均输入速率 和平均输出速率其中 表示链路S-R不发生中断的概率， 表示链路R-D
在半双工模式下可用而在全双工模式下发生中断的概率； 其中
表示链路R-D在中继半双工模式下不发生中断的概率。
[0014] (3-3).构建中继缓冲区流量平衡方程
[0015] 步骤(4).构建优化问题：计算中继系统的安全吞吐量，构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题；具体为：
[0016] (4-1).根据得到的中继平均输入和输出速率，计算中继系统的安全吞吐量[0017] (4-2).构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题，即在满足安全中断概率不超过给定门限的情况下，通过调整节点的发送速率和安全速率，使中继系统的安全吞吐量最大化，即第一问题，如下：
[0018]
[0019] 步骤(5).寻找初始点：计算得到中继平均输入速率的极大值点，以极大值点为基准，搜索得到满足流量平衡方程的平衡点，并将平衡点作为速率控制算法的起始点；具体为：
[0020] (5-1).计算得到中继平均输入速率的极大值点，通过令中继平均输入速率关于源节点速率的偏导数为零， 得到方程的解
[0021] (5-2).若存在一个中继发送速率 使得 满足平衡方程 则将设为初始点，否则通过搜索算法最小的 使得 满足 并将
设为初始点。
[0022] (5-3).将初始点代入第一问题，得到 记当前最优解
[0023] 步骤(6).输出最优解：利用典型的凸优化算法，从初始点不断迭代，直到算法收敛，输出节点速率和相应的安全吞吐量；具体为：
[0024] (6-1).采用内点法，设置算法收敛门限和迭代步长，引入新的常量t，并且构造对数障碍函数， 将第一问题转化为新的约束问题，即第二问题，如下：
[0025]
[0026] (6-2).以 为初始点，求解第二问题，得到的解记为
[0027] (6-3).设置新的初始点，记为
[0028] (6-4).若t的取值小于等于给定门限，则增加t的取值，返回步骤(6-1)；若t的取值大于给定门限,说明算法收敛,进入下一步。
[0029] (6-5).输出节点发送速率 安全速率 和相应的安全吞吐量
[0030] 本发明提出一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，解决中继系统在安全传输中效率低下问题，在确保安全性的同时，达到有效传输。与现有的安全传输方法相比，其优点体现在：
[0031] 1、现有的安全传输方法大多注重提高中继传输的安全性，未考虑中继传输效率；本发明基于缓冲区技术，通过设计通信节点的速率从而优化中继系统的安全吞吐量，改善传输效率。
[0032] 2、传统的性能优化方法大多基于瞬时信道状态信息，这类方法不仅通信开销大，而且在安全通信场景中，通常由于窃听节点的隐蔽性，导致瞬时窃听信道状态难以获取。本发明是一种基于统计信道状态信息的方法，通信开销小，在安全通信场景中，根据窃听节点的长时行为，更容易获得窃听信道的统计特性。
[0033] 3、在问题求解过程中，与经典的凸优化方法相比，本发明方法结合带缓冲区的中继系统传输特性，优化了算法初始点的选取方式，使得到的节点发送速率和安全速率更接近全局最优解。
附图说明
[0034] 图1为本发明方法的系统结构图；
[0035] 图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
[0036] 以下结合附图并举实施例对本发明做进一步详细说明。
[0037] 一种基于速率控制的中继系统安全吞吐量优化方法，其系统结构图如图1所示：考虑一个三节点两跳多天线中继系统，包括一个源节点S，一个多天线中继节点R，和一个目的节点D。中继节点成功收到源信号后将数据存于缓冲区内，再根据两跳链路状态判断进行发送或是接收，当中继同时进行收发时则处于全双工模式。中继节点R向节点D发送时受到NE个窃听节点的监听(本实施例中为1个)。
[0038] 该方法基于图2给出的流程图，考虑单窃听节点的中继系统，中继节点收集瑞利信道S-R,R-D和R-E的统计信道状态信息后，得到信道衰落因子，最后通过控制源节点和中继节点的发送速率和安全速率，在保证中继传输的安全中断概率低于给定门限η的同时，最大化系统的安全吞吐量，提高中继系统的传输效率。
[0039] 该方法通过以下步骤实现：
[0040] 步骤(1).输入系统参数，具体为：
[0041] 本实例中各信道均为瑞利衰落，信道S-R,R-D,R-E衰落参数(bSR,bRD,bRE)＝(1,1,0.5)。节点发送功率 中继接收天线数NR＝2，中继发射天线数NT＝5，安全中断概率预设门限η＝0.1。
[0042] 步骤(2).评估安全性能，计算中继系统的安全中断概率，进而计算得到辅助参量ξ。具体为：
[0043] (2-1).中继系统的安全中断概率可表示为节点发送速率和安全速率的函数：
[0044]
[0045] 其中 表示中继节点的发送速率， 表示中继节点的安全速率。在此实例中，中继系统的安全中断概率与源节点的发送速率无关。
[0046] (2-2).令安全中断概率恰好满足安全中断门限，即Qsec＝η。引入一个辅助参量ξ，使得 和 在满足方程Qsec＝η的同时，也令等式 成立。本实例中
[0047] 步骤(3).平衡中继缓冲区。计算中继节点的平均输入速率和平均输出速率，构建中继缓冲区流量平衡方程；具体为：
[0048] 中继节点的平均输出速率为
[0049] 中继节点的平均输入速率为
[0050] 其中 表示链路R-D在中继半双工模式下的中断概率， 表示链路S-R的中断概率， 表示链
路R-D在半双工模式下可用而在全双工模式下发生中断的概率，其中
构建中继缓冲区流量平衡方程
[0051] 步骤(4).构建优化问题。计算中继系统的安全吞吐量，构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题；具体为：
[0052] (4-1).计算中继系统的安全吞吐量
[0053] (4-2).构建基于速率控制的安全吞吐量优化问题，
[0054]
[0055] 步骤(5).寻找初始点。计算得到中继平均输入速率的极大值点，以极大值点为基准，搜索得到满足流量平衡方程的平衡点，并将平衡点作为速率控制算法的起始点；具体为：
[0056] (5-1).计算得到中继平均输入速率的极大值点，通过令平均输入速率关于源节点速率的偏导数为零， 得到方程用数值方法求出方程的解
[0057] (5-2).如果存在一个中继发送速率 使得 满足平衡方程
[0058] |令
[0059] |到步骤(5-3)；
[0060] 否则，
[0061] |利用二分法找到最小的 使得 满足
[0062] |令
[0063] (5-3).将 代入问题(P.1)得到 记当前最优解
[0064] 步骤(6).输出最优解。采用内点法，从初始点不断迭代，直到算法收敛，输出节点速率和对应的安全吞吐量。具体为：
[0065] (6-1).设置算法收敛门限ε＞0和迭代步长μ＞1，引入新的常量t＞0，并且构造对数障碍函数， 将问题(P.1)转化为新的约束问题如下：
[0066]
[0067] (6-2).以 为初始点，求解问题(P.2)，得到(P.2)的解，将其记为[0068] (6-3).设置新的初始点，记为
[0069] (6-4).如果1/t＜ε
[0070] |到步骤(6-5)；
[0071] 否则，
[0072] |令t＝μt，
[0073] |到步骤(6-1)。
[0074] (6-5).输出节点发送速率 安全速率 和安全吞吐量
