本文關(guān)鍵詞： 物理層安全 安全速率 博弈 收益 竊聽　出處：《解放軍信息工程大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)能有效利用無線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性,并通過中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)作得到空間分集增益,成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。然而,中繼節(jié)點(diǎn)和協(xié)作思路的引入也給安全性帶來了極大的隱患,為其安全問題研究帶來了新的挑戰(zhàn)。物理層安全技術(shù)從無線通信的最底層特點(diǎn)入手,為解決協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的安全問題提供了新的思路。目前,無線物理層安全協(xié)作技術(shù)研究還存在以下問題:1)缺乏有效的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)自私中繼的選擇方法,導(dǎo)致發(fā)送端無法實(shí)現(xiàn)安全速率最大化;2)缺乏抑制中繼非友好行為的選擇方法,導(dǎo)致發(fā)送端安全速率降低;3)缺乏多源多目的節(jié)點(diǎn)聯(lián)盟機(jī)制,導(dǎo)致各自安全速率損耗;4)在多節(jié)點(diǎn)無線通信網(wǎng)絡(luò)中,傳統(tǒng)博弈機(jī)制會(huì)造成節(jié)點(diǎn)趨于非協(xié)作策略,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的瓶頸安全速率降低。針對(duì)上述問題,本課題依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目對(duì)基于博弈的物理層安全協(xié)作技術(shù)展開研究。論文首先針對(duì)自私中繼和非友好中繼分別提出了相應(yīng)的中繼選擇方法:基于兩次報(bào)價(jià)博弈機(jī)制的安全中繼選擇方法和基于博弈的非友好中繼選擇方法;然后,分別針對(duì)多源多目的網(wǎng)絡(luò)和多跳無線通信網(wǎng)絡(luò),研究了多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作的物理層安全方法,解決安全速率提高問題。主要研究?jī)?nèi)容包括:1、提出一種基于兩次報(bào)價(jià)博弈機(jī)制的安全中繼選擇方法。該方法以引入虛擬貨幣的形式鼓勵(lì)和規(guī)范不同節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系,并提出基于虛擬貨幣衡量的兩次報(bào)價(jià)競(jìng)爭(zhēng)博弈機(jī)制:規(guī)定所有中繼必須進(jìn)行兩次報(bào)價(jià)競(jìng)爭(zhēng),若首次被發(fā)送端選中的中繼在第二次報(bào)價(jià)時(shí)未被選中,則接受懲罰被淘汰。自私中繼根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所需消耗的能量等成本決定其報(bào)價(jià),并將提供的安全速率進(jìn)行標(biāo)價(jià);當(dāng)兩次報(bào)價(jià)的占優(yōu)策略均為上報(bào)真實(shí)成本,才能獲得發(fā)送端支付的報(bào)酬。發(fā)送端根據(jù)中繼所提供的安全速率和報(bào)價(jià)的多少,選擇使其安全速率增益最大的中繼。仿真和分析表明:本方法可以在動(dòng)態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中選擇到提供最大安全速率的中繼,并且當(dāng)發(fā)送端功率為15mW時(shí),其安全速率相比未考慮中繼自私性的傳統(tǒng)選擇方法提高40%,保證了該網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸。2、提出一種基于博弈的非友好中繼選擇方法。首先,建立博弈模型,明確發(fā)送端和竊聽方的收益函數(shù)和收益目標(biāo):發(fā)送端的目標(biāo)是通過中繼發(fā)送噪聲降低竊聽信道容量,竊聽方的目標(biāo)是通過中繼發(fā)送噪聲降低主信道容量。之后,分別得到發(fā)送端和竊聽方收益最大時(shí)從非友好中繼購(gòu)買的協(xié)作功率值,以及滿足非友好中繼為發(fā)送端服務(wù)的信道條件;最后,發(fā)送端選擇滿足信道條件的非友好中繼并支付報(bào)酬,獲得相應(yīng)的協(xié)作干擾,達(dá)到最大的安全速率。仿真結(jié)果表明,通過該方法發(fā)送端可以選擇到能提供最大收益的非友好中繼,并且當(dāng)發(fā)送端功率為15mW時(shí),安全速率相對(duì)未考慮中繼非友好性的傳統(tǒng)方法提高近50%。3、提出一種基于協(xié)作博弈的安全聯(lián)盟組網(wǎng)方法。首先,將協(xié)作博弈機(jī)制中的收益分?jǐn)倷C(jī)制引入安全聯(lián)盟組網(wǎng)自適應(yīng)形成方法,建立發(fā)送端聯(lián)盟組網(wǎng)模型。然后,為實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟方式組網(wǎng),基于博弈方法將聯(lián)盟組網(wǎng)相比非聯(lián)盟時(shí)增加的總安全速率作為可轉(zhuǎn)移的收益函數(shù),平均分配給組網(wǎng)內(nèi)各個(gè)發(fā)送端;之后,發(fā)送端遍歷所有可能形成的聯(lián)盟組網(wǎng),得到均攤收益最大的聯(lián)盟組網(wǎng)方式;最后,發(fā)送端自適應(yīng)形成該聯(lián)盟組網(wǎng),亟需發(fā)送信號(hào)或相同需求下竊聽信道條件最壞的發(fā)送端發(fā)信號(hào),其余所有發(fā)送端通過發(fā)送人工噪聲進(jìn)行協(xié)作。仿真分析驗(yàn)證了該方法的公平性和有效性,當(dāng)發(fā)送端功率等于20mW時(shí),高斯信道下的網(wǎng)絡(luò)平均安全速率相比初始狀態(tài)提高1.8bits/s/Hz。4、提出一種基于演化博弈機(jī)制的物理層安全協(xié)作方法。首先,根據(jù)演化博弈機(jī)制定義策略(發(fā)送人工噪聲或信號(hào))和收益(不同策略組合下的安全速率);然后,發(fā)送端根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及協(xié)作收益與平均期望收益的差值,不斷進(jìn)行策略調(diào)整以最大化收益;最后,通過求解獲得使發(fā)送端達(dá)到協(xié)作穩(wěn)定策略的條件,使網(wǎng)絡(luò)從不穩(wěn)定狀態(tài)向協(xié)作穩(wěn)定狀態(tài)演化,提高系統(tǒng)的瓶頸安全速率。仿真和分析結(jié)果表明,在高斯信道條件下,相比傳統(tǒng)博弈方法,所提方法的發(fā)送端策略穩(wěn)定在協(xié)作狀態(tài),網(wǎng)絡(luò)瓶頸安全速率可提高1bits/s/Hz。
[Abstract]:Cooperative communication network can effectively utilize broadcasting characteristics of wireless networks, and get spatial diversity gain through the relay nodes, become the focus of current research. However, the introduction of relay nodes and cooperation is also to bring great security risks, the safety problem of brings new challenges to the physical layer security technology. From the bottom of the characteristics of wireless communication, provides a new way to solve the security problem of cooperative communication network. At present, there are still the following problems of wireless physical layer security cooperation technology research: 1) lack of effective dynamic network selection method of selfishness of the relay, the sending end result can not achieve the maximum safety rate; 2) lack of choice methods of inhibiting non relay friendly behavior, leading to the sending end safety rate decreased; 3) lack of multi-source and multi destination node alliance mechanism, so their safety loss rate; 4) in a multi node The wireless communication network, the traditional game mechanism will cause the node tends to non cooperative strategy, leads to the bottleneck of the network security rate is reduced. In view of the above problems, this paper relies on the National Natural Science Foundation project to study physical layer security cooperation game based on technology. This dissertation firstly for selfish relay and non friendly relay relay selection method were put forward. The corresponding selection method and relay selection method based on non friendly game safety relay two bid game mechanism based on; then, according to the multi-source multi destination network and multi hop wireless communication network, the physical layer security method of multi nodes, to solve the security problem. To improve the rate of the main research contents include: 1, put forward a selection method based on safety relay two bid game mechanism. The method by introducing a form of virtual currency to encourage and regulate the different Forwarding relationships between the nodes, and proposes the virtual currency measure two bid competition mechanism based on the provisions of all relay must be carried out two times price competition, if the relay was first selected in the sending end second times when the offer is not selected, then accept the punishment to be eliminated. The energy cost of selfish consumption according to the transmitted data the decision of the quotation, the safety rate and will provide the price; when the two quotations are reporting the real dominant strategy cost, in order to obtain the sender pay. The sender according to relay provided safety rate and price, choose to have their safety rate maximum gain relay. The simulation and analysis show that this method can be selected to provide maximum safety relay rate in dynamic wireless network scenarios, and when the transmitter power is 15mW, the safety rate compared without considering the selfishness of relay The traditional selection method to improve 40%, to ensure the safety of the.2 transmission network, this paper proposes a friendly relay selection method based on game theory. First of all, the establishment of game model, clear the sender and the eavesdropping party benefits function and profit goals: the goal is to reduce the sending end of the Wiretap Channel Capacity through the relay transmission noise and eavesdropping party the main goal is to reduce the channel capacity through the relay transmission noise. Then, respectively, the sender and the maximum profit from eavesdropping party non cooperative power friendly relay buy value, and the non friendly relay channel conditions for sending end service; finally, the sender can meet the channel conditions of non friendly relay and pay remuneration, obtain cooperation the corresponding interference to achieve safety, maximum rate. Simulation results show that by this method the sender can choose to provide the maximum benefits of the non friendly relay, and when the sending power The rate is 15mW, the relative safety rate without considering the non traditional methods of relay friendly increase nearly 50%.3, this paper puts forward a Security Alliance Cooperative networking method based on game theory. First of all, the revenue sharing mechanism of cooperative game mechanism in the introduction of security alliance network adaptive method, establish the sender Alliance Network model. Then, for the realization of alliance network mode based on game theory will total security alliance network rate increased as compared to non League revenue function can be transferred, assigned to each transmission network within the average end; then, the sender may traverse all formed alliance network, get on the maximum profit alliance network; finally, the formation of the alliance network adaptive transmitter the worst conditions, sending Wiretap Channel to send signals to the same end or demand signal, all the rest of the sending end collaboration by sending artificial noise. Simulation and analysis verify the fairness and effectiveness of the method, when the sending power is equal to 20mW, the average rate of network security Gauss channel compared to the initial state of 1.8bits/s/Hz.4, propose a physical layer security cooperation mechanism based on evolutionary game method. First, according to the evolutionary mechanism defined strategy (artificial noise or signal transmission) and benefits (safety rate under different strategies; then, the sender) according to the difference between the current state of the network and collaboration revenue and average expected profits, constantly adjust their strategies to maximize revenue; finally, to obtain the sending end to reach the cooperation strategy by solving the stability conditions, make the network unstable state evolution to the cooperative stability state, improve system security bottleneck rate. And the simulation results show that the Gauss channel conditions, compared with the traditional game method, the sending end of the proposed method The policy is stable in collaboration, and the network bottleneck security rate can be improved by 1bits/s/Hz.

【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN918

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本文編號(hào)：1494656