[发明专利]一种基于网络编码安全高效的协作中继选择方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络协同通信领域，具体涉及一种基于网络编码安全高效的协作中继选择方法。

背景技术

网络编码技术由于可以实现吞吐量和传输延迟最小化的网络，并且能够均衡网络负载，解决网络拥塞、提高网络带宽利用率等优点，而受到学术界的广泛关注。无线通信信道传输的广播特性，使得网络编码技术更加适合应用到无线协作中继通信网络中，可以进一步提高频谱效率和系统容量。但同时它也带来了许多安全问题，网络编码原理本身的特殊性导致对信息的扩散性较强,因此与普通的网络相比,这种情况下的攻击者只要注入很小的恶意信息或对相关信息稍修改就可能影响一定范围的甚至是整个的网络。也就是说,同样的攻击手段,在该模式网络中的攻击效率更高,传染性更强，因此对于安全通信的中继节点选择算法进行研究是协作通信的又一个重点。在协作通信中，使用中继节点协助传输，除了考虑中继节点选择策略之外，还要考虑中继节点的可信性，这样才能提高传输的安全性。

基于网络编码的中继选择策略，Zhihang Yi，MinChul Ju指出基于网络编码的双向单中继协作传输可以获得全分集增益。在之后的研究当中，赵强，田峰证明了在双向多中继协作系统中采用机会中继选择策略，选出一个最优中继节点后进行网络编码信号的转发仍然可以获得全分集增益。所以合理地选取参与协作传输的中继节点是一个值得研究的问题。本文对多中继场景下为源节点选择协作中继的情况展开研究，分析了在该情况下中继选择问题的安全性和有效性，结合利用融合时间戳和同态签名的安全检测算法和最优中间节点选择方案，提出了一种基于网络编码的安全高效中继节点选择算法，该方法不仅可以使数据传输在较为安全的中继节点中，并且可以同时达到系统可达和速率最大化和中断概率最小化，进一步提高通信系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供能同时达到系统可达和速率最大化和中断概率最小化，提高通信系统的性能的一种基于网络编码安全高效的协作中继选择方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

针对网络编码的协作中继节点极易遭受攻击者对数据包的恶意篡改，从而使信宿节点对正确数据包的解码造成影响，如果攻击者不断重发与正确数据无关的恶意信息又会造成网络资源的极大浪费的情况下，综合考虑协作中继节点的性能优化问题，提出了一种一种基于网络编码安全高效的协作中继选择方法。

一种基于网络编码安全高效的协作中继选择方法，包括以下步骤：

步骤一：采用单信源单信宿多中继节点的系统模型，中继节点采用半双工模式转发信号，对接收到的信号采用放大转发(Amplify-and-Forward，AF)处理方式；

步骤二：协作中继节点随机引入污染攻击和重放攻击，利用融合时间戳的RSA同态签名方案检测该中继节点是否被污染攻击和重放攻击并记录；

步骤三：使用中间节点被检测出污染攻击和重放攻击的次数在基本动态权值计算公式的基础上计算节点的安全度；

步骤四：计算源节点到候选中间节点方向上候选节点的接收信噪比与设定接收信噪比的判决阈值进行比较，预先选择满足条件的中间节点，之后从满足候选节点集合中选出中间节点到目的节点链路中的信道增益最大的中间节点；

步骤五：计算一段时间内各节点出现的最髙安全度的加权和作为算法选取的阈值，选取满足大于该阈值条件的协作中继节点最为候选节点，从候选节点中选择满足接受信噪比和信道增益最大的中继节点。

具体的，

步骤二中，融合时间戳的同态签名方案，有三部分组成，分别是非对称密钥生成算法、签名生成算法、签名验证算法。

步骤三中，安全度计算：

假设所有链路都是可以被攻击的，在基本动态权值计算公式的基础上引入污染攻击和重放攻击作为计算中间节点安全度的指标，找到合适的中间节点进行数据传输，保证网络编码的安全性。在计算污染度和重放度的过程中，使用了RSA签名方案并融合了时间戳的思想，使得该签名可以同时检测污染攻击和重放攻击。这样当数据传输请求到来时，就可以根据中间节点的安全度来选择最好的中间节点。

由于网络的不确定性，所以引入了动态阈值来计算当前中间节点的安全度，本文算法选取的阈值为在过去一段时间内各节点出现的最髙安全度的加权和。

动态阈值之所以选取过去一段时间内各节点出现的安全度的最大值，因为阈值是一个门限,网络中不想让危险的中间节点进入,因此需要把门限设髙,如果采用当前时刻的阈值的话，可能会把更多的危险节点划入网络,不利于网络的安全。

步骤四和五中，最优中继节点选择方案：