[发明专利]一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

通信的安全性一直是通信质量的重要衡量手段，随着无线通信的迅猛发展，网络通信对安全性提出了更高的要求。近年来无线通信系统物理层资源不断丰富，通过利用物理层资源的多样性和唯一性来保证无线通信的安全成为关注的热点，物理层安全技术得以不断发展。

在无线通信网络传输中，QoS(服务质量)扮演着重要的角色，如何做到有限的无线资源与多媒体业务不断提高的QoS需求之间的平衡，是目前无线通信的重点。有效容量方法是研究无线传输统计QoS性能的一种有效技术。基于有效容量模型，通过跨层设计的方法将各层网络协议通过整体方法进行分析优化，最终实现无线资源利用的最大化。

以Wyner为代表的物理层安全技术研究人员取得了较多的成果，保密容量、保密速率等是通信系统安全性能的重要衡量指标。基于这些指标，保密系统还实现了功率分配、波束成形、多天线等方面的进一步完善，但这只是局限于物理层的研究，并未考虑上层用户服务质量问题。单纯基于QoS需求的无线通信系统也取得了众多研究成果。“Quality-of-Service Driven Power and Rate Adaptation over Wireless Links”(无线链路中基于QoS要求的功率和速率匹配)【IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.6,no.8,pp.3058-3068,Aug.2007.】一文讨论了基于QoS需求的无线链路功率与速率的匹配问题，但是，它并没有考虑系统的安全性，目前，仍没有以有效容量为切入点研究基于QoS保密系统性能的先例。

发明内容

为了弥补现有研究存在的不足，本发明提供了一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法，提出了安全有效容量的概念，在保密系统中通过跨层联合优化实现了用户服务质量的需求，并让有限的物理层资源得到了高效利用。

本发明的技术方案如下：

一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法，以安全有效容量跨层模型为基础，在功率受限的情况下最大化不同QoS指数下的安全有效容量，本方法由以下通信系统来实现，系统包括信源节点、信宿节点和窃听节点，信源节点向信宿节点发送信号，窃听节点在这个过程中对信号进行窃听，物理层根据信道状况的变化以及上层用户服务质量的要求(即QoS指数)进行动态功率分配，使得系统在能够保证时延QoS的前提下完成保密传输，该方法具体步骤如下：

1)在不考虑用户服务质量时计算通信系统的瞬时保密速率

设γ_b，γ_e分别是信宿节点和窃听节点端的瞬时接收信噪比，μ是功率控制因子，T_f和B分别是帧间隔和系统带宽，当γ_b＞γ_e，即信源节点与信宿节点之间的信道状态优于信源节点与窃听节点之间的信道状态时，信源节点与信宿节点之间可以进行保密通信，瞬时保密速率R(i)根据下式计算：

R(i)＝T_fB{log₂(1+μγ_b)-log₂(1+μγ_e)}(1)

2)计算基于QoS的安全有效容量

引入QoS指数θ，θ的大小表示时延(服务质量的一项指标)的大小，安全有效容量E_sec(θ)表示如下：

其中μ(θ,γ_b,γ_e)为功率控制因子μ关于θ、γ_b、γ_e的函数，也就是物理层能够根据信道状态的变化及上层不同的QoS限制进行适当的功率分配，符号为随机变量γ_b和γ_e的联合概率密度函数；

3)确定优化问题

以安全有效容量为目标函数，功率限制条件为约束条件，构造如下优化问题：