一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法

摘要

本发明公开了一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，该方法针对无线网络中安全薄弱的区域，提出一种提高安全性能、同时对合法用户接收信号干扰影响尽可能小的措施。本发明以最大化安全连接概率为目标，在保证合法通信节点能够正确解调的基础上，通过优化协作干扰功率以及选取或设置特定协作干扰节点来保护合法通信节点，有效提升安全性能；本发明在满足上述条件的同时，根据优化后的协作干扰功率分配，可剔除掉无需发送干扰信号的协作干扰节点。本发明简单有效，节点之间交互开销小，传输方法实现快。

权利要求

1.一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，该传输方法应用于多节点无线通信场景，该多节点无线通信场景包括合法通信节点、协作干扰节点及窃听者，窃听者随机分布在通信场景内，被动窃听合法信号，其特征在于，所述的传输方法包括以下步骤：S1、获取合法通信节点之间传输距离以及信道状态信息；

S2、确定源节点及目的节点，以合法通信节点间传输距离α次方作为权值，其中α表示路径损耗指数，根据Dijkstra算法选择最短传输路径，确定传输路径上合法通信节点正确解调信噪比门限；

S3、根据步骤S1、S2所确定的信息建立单跳安全连接概率优化模型，对传输路径上每一跳传输利用优化算法求解协作干扰功率最优分配；

S4、对传输路径上每一跳传输的合法通信节点周边利用特定协作干扰节点对最不安全传输区域进行保护，其中，当合法通信节点发送信号时，通信场景内最不安全传输区域指定为合法通信节点附近区域；

S5、对于经步骤S3优化后的协作干扰节点，若其协作干扰功率小于所有协作干扰功率均值一个数量级及以上时，则无需再发送协作干扰信号，该协作干扰节点被剔除；

其中，所述的步骤S3过程如下：

S31、单跳安全连接概率优化模型建立如下：上述优化模型表示第i个合法通信节点发送信息至第i+1个合法接收节点的安全连接概率优化模型，其中，μe表示窃听者密度，Γ(x)表示gamma函数，α表示路径损耗指数，di，i+12

表示第i个合法通信节点到第i+1个合法接收节点的传输距离，σ表示噪声，其服从均值为0单位方差的高斯分布，δ为自干扰抑制系数，Ps表示自干扰功率，Pj表示第j个协作干扰节点的干扰功率，dj，i+1表示第j个协作干扰节点到第i+1个合法接收节点的传输距离，Pi表示第i2

个合法通信节点发送功率，|hi，i+1|表示第i个合法通信节点到第i+1个合法接收节点信道增益系数，其服从均值为1的指数分布，γ0表示合法接收节点最低解调信噪比门限，每一跳传输接收节点需满足正确解调要求，Pj_max表示协作干扰功率峰值；

S32、判断协作干扰节点发送信号的能力，若合法通信节点选择连续功率值发送信号，则执行步骤S33，若合法通信节点选择离散功率值发送信号，则执行步骤S34；

S33、确定启发式算法参数，对步骤S31中优化模型使用启发式算法确定协作干扰功率最优分配；

S34、对步骤S31中优化模型使用穷举搜索法确定协作干扰功率最优分配。

2.根据权利要求1中所述的一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，其特征在于，所述的步骤S4过程如下：S41、若合法通信节点后侧无协作干扰节点保护，则在其后侧设置一个特定协作干扰节点，该特定协作干扰节点与其它协作干扰节点一并通过步骤S3中优化算法求解最优协作干扰功率分配；

S42、若合法通信节点后侧有协作干扰节点保护，则转至下一步骤S5。

3.根据权利要求1中所述的一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，其特征在于，所述的步骤S33中，确定粒子群算法参数，对步骤S31中优化模型使用粒子群算法确定协作干扰功率最优分配。

说明书

一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信安全传输技术领域，具体涉及一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法。

背景技术

[0002] 通信业务发展至今，安全问题日益受到人们的重视，由于无线网络的广播特性，通信信号可达的范围内可能存在恶意的窃听者对传输信号进行监听并解码信息。

[0003] 传统的安全传输算法一般基于密码学设计。对发送信号基于加密算法进行加密，窃听者在未知密钥的条件下进行解码，运算复杂度极高，一般可认为是没有密钥难以解密
的。但由于计算机行业飞速发展，计算机运算能力相较于之前有极大地提升，基于密码学提
供的安全传输机制在未来将面临更大的安全威胁。

[0004] 物理层安全基于香农绝对意义下的安全定义。研究表明：当合法信道的信道容量大于窃听信道信道容量时，合法通信节点通过信道编码，以不高于合法用户信道容量与窃
听信道容量的差值部分所对应的信息速率发送信息，即使得编码后发送的信号中所实际的
需要保密的信息速率不大于该差值，则窃听者将无法正确解调信号。因此，物理层安全是绝
对意义上的安全。但在实际通信场景中，窃听者的位置、数量、以及信道状态信息对于合法
用户而言难以知晓。因此，需要有效的保护方法对通信场景安全薄弱区域进行防护。以部分
未参与信号传输的合法通信节点发送协作干扰信号是一种可行的增强安全性措施。此外，
全双工技术的逐渐成熟使得合法接收节点在接收信号的同时，能发送自干扰信号对其自身
周围的区域加以保护。在现有的研究中，协作干扰和自干扰结合的加密方法的结合虽然已
经被提出，但协作干扰功率并未最优分配，安全性能和能效都无法得到保证。同时，对于通
信场景内最不安全传输区域的保护措施尚未被提出。因此，目前亟待针对以上不足提出一
种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法。

[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0007] 一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，该传输方法应用于多节点无线通信场景，该多节点无线通信场景包括合法通信节点、协作干扰节点及窃听者，窃听者
随机分布在通信场景内，可以被动窃听合法信号，所述的传输方法包括以下步骤：

[0008] S1、获取合法通信节点之间传输距离以及信道状态信息；

[0009] S2、确定源节点及目的节点，以合法通信节点间传输距离α次方作为权值，其中α表示路径损耗指数，根据Dijkstra算法选择最短传输路径，确定传输路径上合法通信节点正
确解调信噪比门限；

[0010] S3、根据步骤S1、S2所确定的信息建立单跳安全连接概率优化模型，对传输路径上每一跳传输利用优化算法求解协作干扰功率最优分配；

[0011] S4、对传输路径上每一跳传输的发送节点周边利用特定协作干扰节点对最不安全传输区域进行保护，其中，当合法通信节点发送信号时，通信场景内最不安全传输区域指定
为发送节点附近区域；

[0012] S5、对于任意优化后的协作干扰节点，若其协作干扰功率小于所有协作干扰功率均值一个数量级及以上时，则无需再发送协作干扰信号，该协作干扰节点被剔除。此处，一
个数量级等于20dB。

[0013] 进一步地，所述的步骤S3过程如下：

[0014] S31、单跳安全连接概率优化模型建立如下：

[0015]

[0016]

[0017] 上述优化模型表示第i个合法通信节点发送信息至第i+1个合法接收节点的安全连接概率优化模型，其中，μe表示窃听者密度，Γ(x)表示gamma 函数，α表示路径损耗指数，
2
di,i+1表示第i个发送节点到第i+1个合法接收节点的传输距离，σ表示噪声，其服从均值为0
单位方差的高斯分布，δ为自干扰抑制系数，Ps表示自干扰功率，Pj表示第j个协作干扰节点
的干扰功率，dj,i+1表示第j个协作干扰节点到第i+1个合法接收节点的传输距离， Pi表示第
2
i个发送节点发送功率，|hi,i+1|表示第i个发送节点到第i+1个合法接收节点信道增益系
数，其服从均值为1的指数分布，γ0表示合法接收节点最低解调信噪比门限，即每一跳传输
接收节点需满足正确解调要求， Pj_max表示协作干扰功率峰值；

[0018] S32、判断协作干扰节点发送信号的能力，若合法通信节点可选择连续功率值发送信号，则执行步骤S33，若合法通信节点可选择离散功率值发送信号，则执行步骤S34；

[0019] S33、确定启发式算法参数，对步骤S31中优化模型使用启发式算法确定协作干扰功率最优分配；

[0020] S34、对步骤S31中优化模型使用穷举搜索法确定协作干扰功率最优分配。

[0021] 进一步地，所述的步骤S4过程如下：

[0022] S41、若发送节点后侧无协作干扰节点保护，则在其后侧设置一个特定协作干扰节点，该节点与其它协作干扰节点一并通过步骤S3中优化算法求解最优协作干扰功率分配；

[0023] S42、若发送节点后侧有协作干扰节点保护，则转至下一步骤S5。

[0024] 进一步地，所述的步骤S33中，确定粒子群算法参数，对步骤S31中优化模型使用粒子群算法确定协作干扰功率最优分配。

[0025] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0026] 1、本发明以最大化安全连接概率为目标，在保证合法通信节点能够正确解调的基础上，通过优化协作干扰功率以及选取或设置特定协作干扰节点保护发送节点，有效提升
安全性能；

[0027] 2、本发明中在保证安全性能的同时，根据优化后的协作干扰功率分配，可剔除无需发送干扰信号的协作干扰节点；

[0028] 3、本发明简单有效，节点之间交互开销小，传输方法实现快。

附图说明

[0029] 图1是本发明实施例中多节点无线通信场景示意图；

[0030] 图2是本发明实施例公开的一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法的流程示意图；

[0031] 图3是本发明实施例中单跳传输安全性能提升后多节点无线通信场景示意图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 实施例一

[0034] 本实施例公开了一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，该方法是基于优化协作节点干扰功率以及选取或设置特定协作干扰节点保护发送节点以提高安全
性能。

[0035] 该传输方法应用于多节点无线通信场景，该多节点无线通信场景包括合法通信节点、协作干扰节点及窃听者，其中，合法通信节点及协作干扰节点拓扑分布已知，合法通信
节点及协作干扰节点之间传输距离及信道特性已知。

[0036] 根据物理层安全定义，安全容量表达式为：

[0037] ΔC＝Clegal‑Ceav

[0038] 其中，Clegal表示合法信道容量，Ceav表示窃听信道容量。当合法信道信道容量大于窃听信道信道容量时，通过信道编码，以不高于合法用户信道容量与窃听信道容量的差值
部分所对应的信息速率ΔC发送需要保密的信息，可保证绝对意义上的安全传输，使窃听者
始终无法正确解调信号。

[0039] 在实际的通信场景中窃听者位置及其信道特性具有不确定性，通常只能以安全连接概率描述，即合法信道容量大于窃听信道容量的概率。当ΔC＞0或ΔC的取值大于某个预
定值的概率非常高时，可以认为合法通信节点信号传输处于安全状态。

[0040] 在通信场景中存在任意位置和数量的合法通信节点，假设窃听者的数量和位置分布服从随机均匀分布，合法信道及窃听信道均包含大尺度衰落和瑞利衰落。合法通信节点
间可通过发送测量参考信号以获取信道状态信息及传输距离，信道状态信息在本通信场景
中特指信道增益系数。在通信过程中，源节点发送信息经过多跳中继转发至目的节点，中继
为多跳传输路径上的合法通信节点。多跳传输路径可根据经典的Dijkstra路由算法来确
定。

[0041] 由于合法通信节点发射功率与合法通信节点间传输距离α次方呈递增关系，α表示路径损耗指数，该值可由地形地貌决定。一般地，当传输距离越大时，发射功率越大，信号扩
散范围越大，因而越不安全。在本专利中，在利用Dijkstra算法选路时，考虑了参数α的影
响，所需拓扑权值为合法通信节点间传输距离α次方。按照此权值进行路径选择可使得合法
通信节点发送功率覆盖范围尽可能小。

[0042] 此外，传输路径上每一跳传输均在不同时隙进行，各跳传输之间相互独立。对任意一跳传输，接收节点发送自干扰信号保护邻近自身的区域。同时，通信场景内所有未进行信
号传输的合法通信节点均可作为协作干扰节点发送干扰信号。

[0043] 传输路径上单跳安全连接概率表达式如下：

[0044]

[0045] 其中，μe表示窃听者密度，Γ(x)表示gamma函数，α表示路径损耗指数，di,i+1表示第2
i个发送节点到第i+1个合法接收节点的传输距离，σ表示噪声，其服从均值为0单位方差的
高斯分布，δ为自干扰抑制系数，Ps表示自干扰功率，Pj表示第j个协作干扰节点的干扰功率，
dj,i+1表示第j个协作干扰节点到第i+1个合法接收节点的传输距离。

[0046] 现有技术并未对多节点无线通信场景安全性能进行优化分析，本方案通过最大化路径上每一跳传输对应的安全连接概率来提升整条传输路径的安全性能。由此，可建立单
跳安全连接概率优化模型：

[0047]

[0048]

[0049] 其中，Pi表示第i个发送节点发送功率，|hi,i+1|2表示第i个发送节点到第i+1个合法接收节点信道增益系数，其服从均值为1的指数分布，γ0表示合法接收节点最低解调信
噪比门限，即每一跳传输接收节点需满足正确解调要求，Pj_max表示协作干扰功率峰值，假定
自干扰功率与发往下一接收节点的传输功率相同。

[0050] 以上优化模型表示在满足接收节点正确解调且协作干扰功率不超过峰值限制的条件下最大化单跳安全连接概率，等价于求解最优协作干扰功率分配，使得通信场景安全
性能达到最优。由于目标函数关于协作干扰功率非凸，传统凸优化方法求解困难，一般地，
可使用启发式算法可求出目标函数次优解。本实施例给出的粒子群求解方法可有效解决非
凸优化问题，且经过数轮迭代能够迅速逼近最优解。粒子群算法原理如下：

[0051] 假定N个随机粒子(每个粒子表示一组优化模型候选解，即一个协作干扰功率组合)，粒子位置(位置等同于初始值)全部随机产生。粒子按照经验方向不断迭代寻找最优
解，由两个元素决定每一轮迭代粒子的搜索方向，即当前全局最优粒子位置和粒子自身历
史最优位置。原理表达式如下：

[0052]

[0053] 其中， 表示第i个粒子在第t+1轮迭代的搜索方向，w表示惯性因子，w越大时全局寻优能力强，w越小时局部寻优能力强， 表示第i个粒子在第t轮迭代的搜索方向，c1、
c2分别表示加速常数，random(0,1)表示在0和1之间的随机数， 表示第i个粒子在t轮迭代
t
中自身最优位置， 表示第i个粒子在第t轮迭代后的位置，pg 表示在t轮迭代中全局最优
粒子位置， 表示第i个粒子在第t+1轮迭代后的位置。

[0054] 在实际通信场景中，协作干扰节点发送功率大小也可能只有若干个固定的值可供选择，而不是连续任意取值，则对于离散的协作干扰功率优化，可采用穷举搜索法得到近似
2
最优解。穷举搜索法是一种时间复杂度较高的寻优算法，其复杂度为O(n)，但穷举搜索法
对于离散问题总能够找到最优解，应用于本场景，可以很快搜索到最优解。

[0055] 当合法通信节点发送信号时，在发送节点附近区域窃听者相较于合法接收节点而言更容易获得更高的信噪比，从而成功窃听信号。因此，场景内最不安全传输区域是发送节
点附近区域。本实施例提出在发送节点后侧放置一个协作干扰节点，该位置对合法用户接
收信号的干扰最小，可在不影响接收节点正确解调的情形下可以有效地对发送节点周边进
行干扰；若通信场景内发送节点后侧已有协作干扰节点，则选取该协作干扰节点为特定协
作干扰节点，该节点发送协作干扰信号以保护最不安全传输区域，发送功率与上述需优化
的协作干扰节点一并优化。通过此种保护方法可有效对通信场景内最不安全传输区域的窃
听者进行干扰且尽可能小的影响到合法接收节点。在此基础上通信场景安全性能可进一步
提升。

[0056] 对于功率优化后的任意协作干扰节点，若其协作干扰功率小于所有协作干扰功率均值一个数量级或以上时，则认为该协作干扰节点不重要，可在协作节点集中被剔除，无需
发送协作干扰信号。该节点可参与其它场景通信或进行不同频率的信号传输。

[0057] 实施例二

[0058] 一种在无线网络中通过协作保护信息安全的传输方法，如图1所示，多节点无线通信场景包括合法通信节点、协作干扰节点及窃听者，如图2 所示，通过协作保护信息安全的
传输方法包括以下步骤：

[0059] T101、合法通信节点发送测量参考信号以获取传输距离及信道状态信息；

[0060] T102、确定源节点及目的节点，以合法通信节点间传输距离α次方作为权值，利用Dijkstra算法进行传输路径选择；确定传输路径上合法通信节点正确解调信噪比门限；

[0061] T103、根据步骤T101、T102所确定的信息建立单跳安全连接概率优化模型，若协作干扰节点具备可选择连续功率值发送信号的能力，则确定粒子群算法参数，对优化模型使
用粒子群算法确定协作干扰功率最优分配；若协作干扰节点具备可选择离散功率值发送信
号的能力，则对优化模型使用穷举搜索法确定协作干扰功率最优分配。该优化模型表达式
如下：

[0062]

[0063]

[0064] T104、若发送节点后侧无协作干扰节点保护，则在其后侧设置一个特定协作干扰节点，该节点与其它协作干扰节点一并通过步骤T103中优化算法求解最优协作干扰功率分
配。若后侧有协作干扰节点保护,则可略过此步骤；

[0065] T105、如图3所示，对于任意优化后的协作干扰节点，若其协作干扰功率小于所有协作干扰功率均值一个数量级及以上时，则该协作干扰节点被剔除，不发送协作干扰信号，
其它节点正常工作。

[0066] 至此，本申请的方法流程结束。由上述本申请的具体实现可见，本发明能够提升多节点无线通信场景安全性能以及传输效率，并剔除无需发送干扰信号的协作干扰节点，算
法实施简单，运算速度快。

[0067] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。