CN111641991B - 一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，根据源节点到中继节点的链路中断概率得到源节点到中继节点的信道安全门限；根据中继节点到目的节点的链路中断概率得到源节点到中继节点的信道安全门限；根据中继缓存状态和安全链路数目，制定链路选择策略；根据确定的链路选择策略，分析网络的信道转移矩阵及稳态概率，得到网络的安全中断概率，实现传输。本发明在链路选择时考虑到了信道的中断概率，可以进一步的提升网络的安全性，优于传统的基于数据缓存的安全传输方案。

Description

一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法。

背景技术

无线技术和设备的快速发展带来了大量个人私密信息交互，例如银行帐户信息，个人健康信息等。这些信息的安全性对无线通信网络的发展带来了重要挑战。尽管上层秘钥加密技术可以保护信息安全，但是上层密钥技术假设窃听节点能力有限且加密算法复杂，不能应用于设备能力有好的通信网络。物理层安全技术利用无线信道特征进行加密，可以很好的补充以上不足。协作中继技术可以利用中继来提升网络的安全性，但是固定的中继模式使网络性能受限于最差一跳。基于缓存的中继网络可以很好的解决以上问题，尽管已有工作研究了基于缓存的协作中继网络的安全性，但是网络的链路选择策略没有考虑信息安全中断概率，因此性能提升有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，优化传统方案的性能。

本发明采用以下技术方案：

一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，包括以下步骤：

S1、根据源节点到中继节点的链路中断概率得到源节点到中继节点的信道安全门限；根据中继节点到目的节点的链路中断概率得到源节点到中继节点的信道安全门限；

S2、根据中继缓存状态和安全链路数目，制定链路选择策略；

S3、根据步骤S2确定的链路选择策略，分析网络的信道转移矩阵及稳态概率，得到网络的安全中断概率，实现传输。

具体的，步骤S1中，第t个时隙中第一跳的安全中断概率

时，

为最大允许安全中断概率，源节点和中继R_i之间链路为安全，则源节点和中继R_i的链路必须满足

其中

为源节点和中继R_i在第t个时隙的信道功率增益，Υ_ar源节点和中继之间信息安全的最小门限；

第t个时隙中第二跳的安全中断概率

时，中继R_i和目的节点之间链接实现连接；链路选择策略为：

其中，Ψ(Q_k)是R_k的缓冲状态，

表示源节点和中继之间的链接是安全的；

表示中继和目的节点之间的链路安全，中继R_i和目的节点之间链路必须满足

为中继R_i和目的节点在第t个时隙的信道功率增益，Υ_rb中继R_i和目的节点之间信息安全的最小门限。

具体的，步骤S2中，链路选择策略具体为：

其中，R_opt为选择的最优中继，R_k为第k个中继，Ψ(Q_k)是R_k的缓存Q_k的状态，L为最大数据缓存，

为源节点和中继R_i的信道功率增益，

为中继R_i和目的节点的信道功率增益，λ_ae为源节点和窃听节点之间的信道方差，λ_re为中继节点和窃听节点之间的信道方差；

表示选择源节点和中继之间的链接是安全且信道功率增益最大中继；

表示选择中继节点和目的节点之间的链接是安全且信道功率增益最大中继。

进一步的，网络中没有安全链路的概率为：

其中，λ_ar为源节点和中继节点之间的信道方差，λ_rb为中继节点和目的节点之间的信道方差。

进一步的，根据链路选择方案，源节点与中继节点之间有M₁条合法链路的概率为

其中，M为中继数目。

进一步的，根据链路选择方案，中继节点与目的节点之间有M₂条合法链路的概率为：

设网络的状态空间为

其中s_n表示第n个时隙网络状态，

表示第i个中继的缓存状态；

具体的，步骤S3中，根据链路选择策略，系统从状态s_n传输到状态s_l的概率为a_n,l，则网络的平稳状态为：

π＝(A-I+B)^-1b

其中，A为转移矩阵，b为元素都是1的向量，I是单位矩阵，B是元素都是1的矩阵。

进一步的，根据系统状态，网络的安全中断概率为：

其中，

是系统在状态s_n是的中断概率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，提出了一种基于安全中断的链路选择策略；根据可用和安全的链路集，构建一个马尔可夫链的状态转移矩阵，并导出稳态概率；根据上述稳态概率推导所提出方案的安全中断概率的闭式表达式；最后，数值结果表明，本发明所提的基于中断驱动安全传输方案优于传统的缓存辅助安全传输方案。

进一步的，本发明首先分析了源节点到中继以及中继到目的节点的信道安全速率，并分析了相应的安全中断概率。根据得到的安全中断概率，推出源节点到中继以及中继到目的节点的信道安全的门限。

进一步的，基于上述门限以及中继缓存状态，本发明提出了一种新的基于安全中断概率的链路选择策略，考虑到信息安全性和可靠性，以提升网络的性能。

进一步的，根据上述链路选择策略，本发明利用一个马尔可夫链来表征系统中的状态转移概率并推导状态转移矩阵，随后得到了系统的稳态概率，该稳态为性能分析提供了数学工具。

进一步的，根据上述稳态概率，本发明分析该方案的信息安全中断概率并得出了封闭形式的表达式。

综上所述，本发明在链路选择时考虑到了信道的中断概率，可以进一步的提升网络的安全性，优于传统的基于数据缓存的安全传输方案。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所提出的缓冲辅助安全传输图；

图2为当g_sr≥g_rd时，保密中断概率与平均信道功率增益g_rd的关系图；

图3为保密中断概率与目标保密率Rsec图；

图4为秘密中断概率与许可秘密中断概率的上限图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明提供了一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，源节点lice想要安全可靠地传输信息给目的节点Bob，窃听节点Eve会对Alice的传输数据进行窃听。由于大规模衰落或干扰，Alice和Bob之间的直接信道质量很差。为了在Alice和Bob之间进行安全传输，需要中继的协助，但窃听者可以从Alice和中继那里接收私密信息；

每个中继只有一根天线，并半双工模式工作，每个中继具有一个数据缓存，用Q_i表示；数据缓存的长度为L；在本系统中，每个帧均等地划分为一系列时隙，每个时隙的持续时间为T。在每个时隙中，只有一个中继来接收或转发私密信息；系统经历瑞利平坦块衰落，这意味着信道状态信息在每个时隙保持不变，在相邻时隙独立变化。

请参阅图1，本发明一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，包括以下步骤：

S1、设计链路选择策略使得保密中断概率最大化；

在第t个时隙，如果中继R_i被选择用来接收Alice的私密信息，则其接收到信息为：

其中，p_a是Alice的发射功率；

是Alice和R_i在第t个时隙的信道系数；x_a[t]是第t个时隙Alice的私密信息；

是R_i在第t个时隙接收到噪声，此私密信息被解码并存储在R_i的缓存中，同时被窃听的私密信息为：

其中，h_ae[t]是第t个时隙中Alice和窃听者之间的信道系统，n_e[t]是第t个时隙窃听者接收到的噪声。

在k个时隙之后，如果R_i转发此私密信息，则Bob接收到的信号为：

其中，P_r是R_i的发射功率；

是R_i和Bob在第(k+t)时隙的信道系统；x_ri[t+k]是第(t+k)时隙R_i转发的私密信息；n_b[t+k]是(t+k)时隙Bob接受的噪声。

同样，窃听者窃听的私密信息为：

其中，

是R_i和窃听者在第(t+k)时隙的信道系统，n_e[t+k]是窃听者在(t+k)时隙接收到的噪声。

当选择中继R_i在第t个时隙接收Alice的私密信息时，R_i的信息速率为：

其中，

是Alice和R_i在第t个时隙的信道功率增益，N₀为噪声方差。

窃听者的窃听率为：

第t个时隙Alice和R_i安全速率为：

其中，(a)⁺＝max(a,0)，由于窃听信道的信道状态信息无法获取，因此采用安全中断概率衡量安全性能。

因此安全中断概率为：

其中，R_s为目标安全中断概率，λ_ae为Alice到窃听节点的信道方差。设最大允许安全中断概率为

在第t时隙中，Alice和R_i之间的链接只有在

时才是安全的，因此可以得到

当

时得出g_ari[t]≥Υ_ar，此时信道是安全的。

在t+k时隙，R_i转发安全信息，则Bob的接收到的信息速率为

窃听者在第t+k时刻的窃听率为：

因此，在第t+k时隙的第二跳的保密率为：

根据目标安全速率R_s可以得出第二跳的安全中断概率为：

其中，λ_re为中继节点到窃听节点的信道方差。

给定最大安全中断概率门限

则在

的条件下，R_i与Bob的链路是安全的，即：

根据网络可用链路及数据缓存状态，本发明提出以下链路选择策略：

其中，Ψ(Q_k)是中继R_k的缓存状态。

表示Alice和中继之间的链接是安全的且信道质量较好，并且相应中继的缓存具有存储私密信息的空间；

表示中继和Bob之间的链接是安全的且信道质量较好，并且相应中继的缓存具有要传输的私密信息。

S2、根据所的链路选择策略，当链路满足g_ari≥Υ_ar或g_rib≥Υ_rb时安全；否则，将没有可用的安全传输链接，此时的概率为：

其中，P_null的下标表示安全传输没有可用链接的概率，λ_ar表示Alice和中继之间信道的方差，λ_rb表示中继和Bob之间信道的方差。

此时，系统至少有一条安全链路的概率为1-P_null。在第t时隙的Alice和中继之间有M₁个链路的可能性：

同理，在第t时隙，中继和Bob之间有M₂条链路的可能性：

在第t时隙中，网络的状态空间表示为：

其中，

表示R_i在状态s_n的缓存状态。根据所提出的链路选择策略，系统状态以概率从s_n转移到下一个状态s_l的概率为：

其中，P_sr是从Alice到中继链路集中选择一条链路的概率，P_rb是中继与Bob链路集中选择一条链路的概率，Ω⁺为在s_n时选择Alice发送的情况，Ω^-为在s_n时选择中继转发的情况。

P_sr是从Alice到中继链路集中选择一条链路的概率：

则P_rb＝1-P_sr

则根据系统的状态空间，系统的平稳状态导出为：

π＝(A-I+B)^-1b

其中，A为转移矩阵，b为元素都是1的向量，I是单位矩阵，B是元素都是1的矩阵。

S3、导出秘密中断的封闭形式的表达式以及方案的概率和保密率，建立排队理论计算信息时延；

请参阅图4，根据窃听编码理论，如果系统安全速率小于R_s时，私密信息将遭受安全中断。因此，在所提链路选择策略中，系统安全中断概率为：

其中，

是状态s_n的安全中断概率：

其中，M为网络中中继数目，λ_ar表示Alice和中继之间信道的方差，λ_rb表示中继和Bob之间信道的方差，

本发明中所有链路选择策略考虑到了链路的中断情况，可以避免在链路选择时出现安全中断情况，从而提升了网络的安全性。根据系统的安全中断概率，可以得到此方案可以获得的安全中断情况，从而为本方案的实际使用提供了指导。

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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

仿真验证

1、图2给出了中继和Bob之间的安全中断概率与平均信道功率增益的关系图。图中可以观察到理论结果与仿真结果非常吻合。另外，安全中断概率是g_rd的递减函数。g_rd值较大表示源节点和中继具有更大的功率来保证第一跳和第二跳中的安全传输。因此，安全中断的可能性随着g_rd的降低而降低。更多的中继将增加选择的多样性，安全中断的可能性将降低。在传统的最大比率方案中，不考虑链路安全性，并且安全中断的可能性将增加。

2、图3给出安全中断概率与目标保密率R_s的关系图；在图中安全中断概率是R_s的增加函数；R_s的较大值表示安全传输私密信息具有挑战性，可用链接将减少。因此，安全中断的可能性将随着R_s的增加而增加；缓存大小的增加和中继数的增加将增加链路选择的多样性，并降低安全中断的可能性；对于传统的最大比率方案，未考虑传输链路是否可用于安全传输，这导致安全中断概率增加。

综上所述，本发明一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，首先分析两跳传输的安全中断概率得到信息安全传输的最小门限；随后，提出一种基于安全中断概率的链路选择策略，即保障信息安全性又保障信息传输的高效性。概据所提策略，分析了系统的状态转移概率并得到稳态概率，随后分析了系统的安全中断概率，并得到相应的闭式解。仿真结果表明本发明所提方案可以提升系统的安全性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据源节点到中继节点的链路中断概率得到源节点到中继节点的信道安全门限；根据中继节点到目的节点的链路中断概率得到中继节点到目的节点的中断门限，第t个时隙中第一跳的安全中断概率

时，

为最大允许安全中断概率，源节点和中继R_i之间链路为安全，则源节点和中继R_i的链路必须满足

其中

为源节点和中继R_i在第t个时隙的信道功率增益，γ_ar源节点和中继之间信息安全的最小门限；

第t个时隙中第二跳的安全中断概率

时，中继R_i和目的节点之间链接实现连接；链路选择策略为：

其中，Ψ(Q_k)是R_k的缓冲状态，

表示源节点和中继之间的链接是安全的；

表示中继和目的节点之间的链路安全，中继R_i和目的节点之间链路必须满足

其中，

为中继R_i和目的节点在第t个时隙的信道功率增益，γ_rb中继R_i和目的节点之间信息安全的最小门限；

S2、根据中继缓存状态和安全链路数目，制定链路选择策略，链路选择策略具体为：

其中，R_opt为选择的最优中继，R_k为第k个中继，Ψ(Q_k)是R_k的缓存Q_k的状态，L为最大数据缓存，

为源节点和中继R_i的信道功率增益，

为中继R_i和目的节点的信道功率增益，λ_ae为源节点和窃听节点之间的信道方差，λ_re为中继节点和窃听节点之间的信道方差；

表示选择源节点和中继之间的链接是安全且信道功率增益最大中继；

表示选择中继节点和目的节点之间的链接是安全且信道功率增益最大中继；根据链路选择方案，源节点与中继节点之间有M₁条合法链路的概率为

其中，M为中继数目；

根据链路选择方案，中继节点与目的节点之间有M₂条合法链路的概率为：

设网络的状态空间为

其中s_n表示第n个时隙网络状态，

表示第i个中继的缓存状态；

S3、根据步骤S2确定的链路选择策略，分析网络的信道转移矩阵及稳态概率，得到网络的安全中断概率，实现传输，根据链路选择策略，系统从状态s_n传输到状态s_l的概率为a_n,l，则网络的平稳状态为：

π＝(A-I+B)^-1b

其中，A为转移矩阵，b为元素都是1的向量，I是单位矩阵，B是元素都是1的矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，其特征在于，步骤S2中，网络中没有安全链路的概率为：

其中，λ_ar为源节点和中继节点之间的信道方差，λ_rb为中继节点和目的节点之间的信道方差。

3.根据权利要求1所述的基于数据缓存的多中继两跳网络安全传输方法，其特征在于，步骤S3中，根据系统状态，网络的安全中断概率为：

其中，

是系统在状态s_n是的中断概率。

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