一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法。

背景技术

无线通信技术成为近年的研究重点，而无线通信中的无线自组织通信安全问题也是研究热点。

针对异常复杂的无线自组织终端通信环境，如何保证可疑通信的可靠监听是研究热点。由于物理层是通信的最底层，所以，从物理层的角度实现可疑通信的监听至关重要。通信监听和通信安全是一个事物的两个方面，通信安全关注于如何保证信息传输的安全，而通信监听关注于如何监听可疑通信传输的信息。相比于被动的进行可疑通信监听，主动监听可以提升监听的性能，为此我们提供了一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法，合法监听者针对可疑自组织通信终端采用物理层安全技术进行安全通信的情况，借助主动监听进行干扰以降低可疑通信链路的信道质量并提升监听性能，可在满足监听节点最大平均功率的要求下，使相对监听速率最大。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法，基于自组织通信系统；所述自组织通信系统包括多个可疑自组织通信终端对、和一个全双工监听节点；每个可疑自组织通信终端对包含一个可疑通信源和一个可疑通信宿；每个可疑通信源基于物理层安全技术将可疑信息传输给可疑通信宿，监听节点可以监听可疑信息的传输；

所述合法监听方法通过优化监听节点的干扰功率分配，最大化干扰节点的相对监听速率，具体包括如下步骤：

步骤一：建立物理层安全辅助可疑自组织通信的主动监听干扰功率分配的优化问题模型；

步骤二：将所建立的优化问题转化为内外嵌套的两层优化问题，其中，外层优化问题优化相对监听速率，内层优化问题优化干扰功率分配；

步骤三：通过二分法求解外层优化问题得到相对监听速率，其中针对给定的相对监听速率，通过拉格朗日方法求解内层优化问题得到干扰功率分配，对监控节点的相对监听速率和干扰功率分配进行优化。

基于第一方面，进一步地，所述建立物理层安全辅助可疑自组织通信的主动监听干扰功率分配的优化问题模型为：

P1：

约束C1：

该问题以最大化监听节点的相对监听速率为目标，其中K为可疑自组织通信终端对的数量；

P

和/>

约束C1表示监听节点的平均发射功率不能超过最大平均发射功率。

基于第一方面，进一步地，所述将所建立的优化问题转化为内外嵌套的两层优化问题具体包括以下步骤：

步骤2-1：通过引入辅助变量θ表示监听节点达到的相对监听速率，将问题P1重写为：

P2：

约束C2：

约束C1；

步骤2-2：将问题P2重构为内外嵌套的两层问题，其中，外层优化问题优化θ，以求得最大相对监听速率值；内层优化问题在给定θ的条件下优化q

P3：

约束C1。

基于第一方面，进一步地，所述通过二分法求解外层优化问题得到相对监听速率θ的值具体包括以下步骤：

步骤3-1：初始化搜索区间[θ

步骤3-2：令

步骤3-3：给定θ，利用拉格朗日乘子法求解内层优化问题P3得到q

步骤3-4：如果问题P3的目标函数值大于或等于0，则令θ

步骤3-5：如果θ未收敛，重复执行步骤3-1至步骤3-4；否则，算法结束。

基于第一方面，进一步地，针对给定相对监听速率θ，利用拉格朗日乘子法求解内层优化问题P3得到相应的干扰功率

步骤4-1：初始化λ的搜索区间[λ

步骤4-2：令

步骤4-3：建立拉格朗日函数

P4：

步骤4-4：基于R

P5：

约束C3：r

P6：

约束C4：r

P7：

约束C5：0≤r

所述问题P5、P6、P7的解分别为

步骤4-4：计算问题P4的目标函数当q

步骤4-5：如果约束C1当q

基于第一方面，进一步地，求解问题P5步骤如下，将约束C3等价转换为如下形式：

约束C6：H

其中

当H

约束C7：

令问题P5的目标函数为Z

基于第一方面，进一步地，求解问题P6步骤如下：

将约束C4等价转换为如下形式：

约束C8：H

其中

当H

约束C9：

令问题P6的解

基于第一方面，进一步地，求解问题P7步骤如下：

将约束C5等价转换为如下2个约束：

约束C10：H

约束C11：H

当H

约束C12：

接着，利用连续凸逼近法求解问题P7，令t表示迭代次数，

(1)将问题P7的目标函数重写为F

令

第二方面，本发明还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面中任一方案所述的合法监听方法。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一方案所述的合法监听方法。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提出的物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法，主要针对可疑自组织通信终端采用物理层安全技术进行通信的场景，合法监听者可通过对干扰功率分配进行优化，最大化监听节点的相对监听速率，借助主动监听进行干扰以降低可疑通信链路的信道质量并大大提升监听性能。

附图说明

图1为本发明实施例一中可疑自组织通信合法监听方法中监听系统的模型图；

图2为本发明实施例一中可疑自组织通信的合法监听方法流程图；

图3为本发明对比例中各方法相对监听速率和监听节点的最大平均发射功率对比关系图。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供了一种物理层安全辅助可疑自组织通信的合法监听方法，本方法基于自组织通信系统，自组织通信系统包括多个可疑自组织通信终端对、和一个全双工监听节点；每个可疑自组织通信终端对包含一个可疑通信源和一个可疑通信宿；每个可疑通信源基于物理层安全技术将可疑信息传输给可疑通信宿，合法监听者可以利用监听节点监听可疑信息的传输；

本实施例中的主动监听方法通过优化监听节点的干扰功率分配，最大化干扰节点的相对监听速率，具体包括如下步骤：

步骤一：建立物理层安全辅助可疑自组织通信的主动监听干扰功率分配的优化问题模型；

步骤二：将所建立的优化问题转化为内外嵌套的两层优化问题，其中，外层优化问题优化相对监听速率，内层优化问题优化干扰功率分配；

步骤三：通过二分法求解外层优化问题得到相对监听速率，其中针对给定的相对监听速率，通过拉格朗日方法求解内层优化问题得到干扰功率分配。

首先，建立物理层安全辅助可疑自组织通信的主动监听干扰功率分配的优化问题模型P1：

P1：

约束C1：

该问题以最大化监听节点的相对监听速率为目标，其中K为可疑自组织通信终端对的数量；

P

和/>

约束C1表示监听节点的平均发射功率不能超过最大平均发射功率。

本实施例中，再将所建立的优化问题转化为内外嵌套的两层优化问题，包括：

步骤2-1：通过引入辅助变量θ表示监听节点达到的相对监听速率，将问题P1重写为：

P2：

约束C2：

约束C1；

步骤2-2：将问题P2重构为内外嵌套的两层问题，其中，外层优化问题优化θ，以求得最大相对监听速率值；内层优化问题在给定θ的条件下优化q

P3：

约束C1；

进一步地，通过二分法求解外层优化问题得到θ的值，包括：

步骤3-1：给定初始搜索区间[θ

步骤3-2：令

步骤3-3：给定θ，利用拉格朗日乘子法求解内层优化问题P3得到q

步骤3-4：如果问题P3的目标函数值大于或等于0，则令θ

步骤3-5：如果θ未收敛，重复执行步骤3-1至步骤3-4；否则，算法结束。

进一步地，针对给定θ，利用拉格朗日乘子法求解内层优化问题P3得到相应的干扰功率

步骤4-1：给定λ的初始搜索区间[λ

步骤4-2：令

步骤4-3：建立拉格朗日函数

P4：

步骤4-4：基于R

P5：

约束C3：r

P6：

约束C4：r

P7：

约束C5：0≤r

步骤4-5：求解问题P5步骤如下。

将约束C3等价转换为如下形式：

约束C6：H

其中

当H

约束C7：

令问题P5的目标函数为Z

步骤4-6：求解问题P6步骤如下。

将约束C4等价转换为如下形式：

约束C8：H

其中

当H

约束C9：

令问题P6的解

步骤4-7：求解问题P7步骤如下。

将约束C5等价转换为如下2个约束：

约束C10：H

约束C11：H

当H

约束C12：

接着，利用连续凸逼近法求解问题P7，令t表示迭代次数，

令

步骤4-8：计算问题P4的目标函数当q

步骤4-9：如果约束C1当q

实施例二

本实施例公开了一种终端设备，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现实施例一中公开的合法监听方法。

实施例三

本实施例公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例一中公开的方法。

对比例

假设可疑自组织通信终端对的数量K为5，每个可疑自组织通信终端对占用信道为1MHz，噪声为-100dBm，每个可疑自组织通信终端对的信宿在其信源的周围0.5km半径上随机分布，每个可疑自组织通信终端对的信源在监听节点的周围0.5km-1.5km半径上随机分布，无线信道的路径损耗建模为128.1+37.6log

综上所述，本发明所提出的监听方法，充分基于可疑自组织通信终端采用物理层安全技术进行通信的特点，通过对干扰功率分配进行优化，最大化了监听节点的相对监听速率，相比传统的对比方案大大提升监听性能。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。