[发明专利]多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法

说明书

本发明提供了一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，该方法包括用户模式选择步骤和基站发射功率控制步骤，用户模式选择步骤是指每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择；基站发射功率控制步骤是指对选择发射干扰信号模式的用户以功率q_k向窃听者发送干扰信号，以发射功率p向所有用户传输信息。本发明提出的方法中，合法用户不仅可以作为信息解码者，也可作为干扰窃听者的干扰者，在基站传输功率约束下，通过优化用户模式选择和基站功率控制，使多播网络的平均保密和速率得到提升。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，可以提升多播网络的物理层安全性能。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线通信中信息安全的要求越来越高，然而量子计算的出现让基于密码学的加密算法越来越不可靠。为此人们提出了物理层安全技术，物理层安全技术利用无线传输媒介内在特性，使得安全性问题在物理层得以解决，并且与传统的基于上层的安全手段并不冲突，既可作为独立的安全手段，也可以是现有加密技术的补充。通常将保密速率作为物理层安全的性能指标，其定义为通过合法通信信道所得速率减去通过窃听信道所得速率的非负值。各种无线网络都有对物理层安全问题的研究。在多播网络中，可以有效地将相同的内容传输给一组用户，相比单播网络，更加节约网络资源。

近年来，多播网络的物理层安全受到越来越多的关注。现有研究的多播网络中的合法用户只充当信息解码者，然而，经历严重信道衰落的一些用户会降低多播网络的保密速率。

有鉴于此，有必要设计一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，将经历严重信道衰落的一些用户作为干扰者来干扰窃听者，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多播网络中面向安全通信的用户模式选择和功率控制方法，所述多播网络中有一个基站、K个用户和一个窃听者，用户集为h_k、g和I_k分别是从基站到用户k、从基站到窃听者和从用户k到窃听者的信道增益，p为基站传输功率，限制其均值最大为即其中为数学期望；所述方法包括以下步骤：

步骤一：用户模式选择，即每个用户可在信息解码和发射干扰信号两种模式中选择；

步骤二：基站发射功率控制，选择发射干扰信号模式的用户以功率q_k向窃听者发送干扰信号，基站以发射功率p向所有用户传输信息。

作为本发明进一步改进的技术方案，用ρ_k代表用户模式选择因子，ρ_k＝1表示用户k选择信息解码模式，ρ_k＝0表示用户k选择发射干扰信号模式，令代表进行信息解码的用户集，q_k为用户k的发射干扰信号的功率；多播网络的保密和速率定义为其中代表最大可达信息速率，代表窃听者的最大可达窃听速率；通过求解如下问题来联合决定用户模式选择变量ρ_k和基站发射功率控制变量p：

p≥0 (3)

作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤一中的用户模式选择变量ρ_k和基站发射功率控制变量的p优化步骤如下：

(1)初始化λ为任意正数；

(2)初始化

(3)随机化用户顺序，对于所有用户k＝1，...，K执行以下步骤(3.a)-(3.d)；

(3.a)令

(3.b)令ρ_k＝1，根据下式计算