CN103987065A - 一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，涉及无线通信物理层领域，所述方法包括以下步骤：建立通信模型；获取通信模型的保密容量；根据保密信道容量建立不可信中继节点与监测***间的博弈模型；计算纳什均衡，获取博弈双方采取某一策略的概率P_a和P_b。本发明基于非零和博弈，提出预测模型与相关算法。本发明预测了节点采取的行为策略，同时提出了最优监测策略，降低了协作通信内节点自私和恶意攻击行为的影响，保证了物理层的安全传输。

Description

一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法

技术领域

本发明涉及无线通信物理层领域，尤其涉及一种预测中继节点行为模型与最优监测策略，以保障物理层安全性能最优的方法。

背景技术

无线传输的广播特性使网络中节点容易遭到恶意节点的攻击与窃听。而协作通信利用协作节点的转发成为可实际应用的物理层安全技术。节点协作时，若所有中继节点都遵守协作准则，可以实现稳定的物理层安全性能。由于缺乏有效的监督机制，***内节点存在恶意和自私行为，严重影响物理层安全性能。在协作通信中，节点的自私与恶意程度不同对***安全影响程度也不同。为保证***的整体安全性，需要相关算法***节点策略，并采取最优的监测策略。

当前针对协作通信物理层安全问题中，多采用单节点模型且均只考虑节点为可靠节点。而无线通信中节点行为多变，且多采用多节点模型。目前尚未见可实现通过预测不可信节点行为以保证物理层安全性能的算法。

发明内容

本发明提供了一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，以保障物理层安全性能最优的方法。当协作通信模式下中继节点为不可信节点时，本发明采用非零和博弈，提出预测中继节点行为模型与最优监测策略，保障物理层安全性能最优，详见下文描述：

一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，所述方法包括以下步骤：

建立通信模型；获取通信模型的保密容量；

根据保密信道容量建立不可信中继节点与监测***间的博弈模型；

计算纳什均衡，获取博弈双方采取某一策略的概率P_a和P_b。

所述通信模型具体为：

存在n个中继节点，一个源节点，一个目的节点，一个窃听节点；源节点到不可信中继节点R_i、不可信中继节点R_i到目的节点，以及不可信中继节点R_i到窃听节点的信道为准静态平坦衰落信道；

信道噪声n_SD，n_SR，n_RD均为方差σ²的加性高斯白噪声CN(0,σ²I_N)，其中，I_N为单位斜对角矩阵；n_SD为源节点S和目的节点D之间的信道噪声；n_SR为源节点S和不可信中继节点R_i之间的信道噪声；n_RD为不可信中继节点R_i和目的节点D之间的信道噪声。

所述博弈模型具体为：

博弈效用为信道容量差V^t：

$V^t={\tilde{C}}_s-C_s\left(s_a^t\right)$

中继节点的效用表示为：

$u_a(s_a^t,s_b^k)=V^t{\mathrm{\η}}^i{D}^{\mathrm{tk}}$

监视***的效用表示为：

$u_b(s_a^t,s_b^k)={\mathrm{\η}}^i{D}^{\mathrm{tk}}{C}_s\left(s_a^t\right)$

其中，ηⁱ是检测率，表示监测***成功检测到第i个节点的不可信行为的概率；为保密容量；为当信道采取策略时的保密容量；D^tk为对不可信节点的惩罚以及监测***的收益；代表监测***b的第k个策略，代表不可信节点a的第t个策略。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、针对节点可能存在的行为变化，本发明基于非零和博弈，提出预测模型与相关算法。本发明预测了节点采取的行为策略，同时提出了最优监测策略，降低了协作通信内节点自私和恶意攻击行为的影响，保证了物理层的安全传输。

2、本发明通过提出表征节点行为变化的参数β，取值范围0-1。参数取值越小节点的恶意攻击或自私行为越严重。参数取值为1时表明节点行为可靠，不存在恶意攻击或自私行为，体现出合作行为。参数取值为0表示节点的恶意行为，只向节点发送噪声。

附图说明

图1为多中继节点协作通信模型的示意图；

图2为一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

101：建立通信模型；

参见图1，通信模型中存在n个中继节点，一个源节点S，一个目的节点D，存在一个窃听节点E。源节点S到不可信中继节点R_i(1≤i≤N)、不可信中继节点R_i到目的节点D，以及不可信中继节点R_i到窃听节点E的信道为准静态平坦衰落信道，源节点S和不可信中继节点R_i之间的信道增益指数用h_SR表示；不可信中继节点R_i和目的节点D之间的信道增益指数用h_RD表示；不可信中继节点R_i和窃听节点E之间的信道增益指数用h_RE表示。源节点S和目的节点D之间的信道噪声用n_SD表示；源节点S和不可信中继节点R_i之间的信道噪声用n_SR表示；不可信中继节点R_i和目的节点D之间的信道噪声用n_RD表示，且信道噪声n_SD，n_SR，n_RD均为方差σ²的加性高斯白噪声CN(0,σ²I_N)，其中，I_N为单位斜对角矩阵。

其中，不同不可信中继节点的权重不同，用w表示权重(N个节点为[w¹,…,w^N])。源节点S的发射功率为P_S，***总功率为P，则不可信中继节点R_i的功率为P-P_S，用P_R表示。

102：获取通信模型的保密容量；

整个协作通信过程分为两个阶段，第一个阶段，源节点S发送信息x到N个不可信中继节点R，第二个阶段，不可信中继节点协作转发收到的信息至目的节点D。第一阶段结束时，所有不可信中继节点收到的信息y_r为

$y_r=\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{SR}}^{*}x+n_{\mathrm{SR}}$

其中h_SR为h_sr ^*为信道增益矩阵h_SR的共轭矩阵。(·)^*,(·)^T以及分别表示矩阵的共轭，转置以及共轭转置，黑体表示矩阵。表示源节点S和中继节点R₁之间的信道增益、表示源节点S和中继节点R₂之间的信道增益，表示源节点S和中继节点R_N之间的信道增益。x表示源节点S发出的信息。

第二个阶段，参数βⁱ体现不可信中继节点的自私或者恶意情况。βⁱ∈[0,1]，βⁱ值越小则说明有害程度越高。当βⁱ为1时，不可信中继节点为合作(即不可信中继节点可以为合作、自私和恶意中任意一种，由参数βⁱ决定那种具体行为，为本领域技术人员多公知，本发明实施例对此不做限制)当βⁱ为0到1时，不可信中继节点为自私；当βⁱ为0时，不可信中继节点为恶意。参数μⁱ为数学计算时的辅助变量，当βⁱ为1或者0到1时，μⁱ为0；当βⁱ为0时，μⁱ为1。则目的节点D收到的信息y_D为：

其中 ${\mathrm{\Ω}}^i=\frac{\sqrt{{\mathrm{\β}}^i{P}_R}}{\sqrt{P_s{\left|h_{\mathrm{SR}}^i\right|}^2}+{\mathrm{\σ}}^2},{\mathrm{\λ}}^i=\frac{\sqrt{{\mathrm{\μ}}^i{P}_R}}{\sqrt{P_s{\left|h_{\mathrm{SR}}^i\right|}^2+{\mathrm{\σ}}^2}}$

表示源节点S和中继节点R_i之间的衰落指数，diag{.}表示对角矩阵。

为了方便计算，设：

$A=\sqrt{P_S}\mathrm{diag}\left\{{\mathrm{\Ω}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{SR}}\right\}{h}_{\mathrm{RD}}---\left(3\right)$

$B=\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{RD}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{\mathrm{\Ω}\right\}---\left(4\right)$

$O=\sqrt{P_S}\mathrm{diag}\left\{{\mathrm{\λ}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{SR}}\right\}{h}_{\mathrm{RD}}---\left(5\right)$

所以y_D变为：

窃听节点E接收到的信息y_E为

为了方便计算，设：

$G=\sqrt{P_S}\mathrm{diag}\left\{{\mathrm{\Ω}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{SR}}\right\}{h}_{\mathrm{RE}}---\left(8\right)$

$H=\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{RE}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{\mathrm{\Ω}\right\}---\left(9\right)$

$1=\sqrt{P_S}\mathrm{diag}\left\{{\mathrm{\λ}}^{*}\right\}\mathrm{diag}\left\{h_{\mathrm{SR}}\right\}{h}_{\mathrm{RE}}---\left(10\right)$

其中

保密信道容量C_S为C_D-C_E，C_D为源节点到目标节点的信道的容量。C_E为源节点到窃听节点的信道的容量。

103：根据保密信道容量建立不可信中继节点与监测***间的博弈模型；

当不可信中继节点全部合作时，保密容量为当信道采取策略时，保密容量为

博弈效用为信道容量差V^t：

$V^t={\tilde{C}}_S-C_S\left(s_a^t\right)---\left(12\right)$

中继节点的效用表示为：

$u_a(s_a^t,s_b^k)=V^t-{\mathrm{\η}}^i{D}^{\mathrm{tk}}---\left(13\right)$

其中ηⁱ是检测率，表示监测***成功检测到第i个节点的不可信行为的概率。

监视***的效用表示为：

$u_b(s_a^t,s_b^k)={\mathrm{\η}}^i{D}^{\mathrm{tk}}{C}_s\left(s_a^t\right)---\left(14\right)$

其中D^tk为对不可信节点的惩罚以及监测***的收益，当某一节点的不良行为被监测到后，该节点采取合作行为，此时的保密容量用D^tk表示。代表监测***b的第k个策略，代表不可信节点a的第t个策略。

104：计算纳什均衡，获取博弈双方采取某一策略的概率P_a和P_b。

根据(12)-(14)计算博弈双方效用后，利用如下公式进行纳什均衡的计算

Maxf(S_a,S_b,U_a,U_b)＝p_a(U_a+U_b)p_b-l₁-l₂ (15)

s.t.U_ap_b≤l₁i₁；U_bp_a≤l₂i₂；

i₁ ^Tp_a＝1；i₂ ^Tp_b＝1；

$0<p_a^t<1;0<p_b^k<1;$

其中l₁和l₂为标度，表示期望最大收益，P_a和P_b为博弈双方采取某一策略概率。从而计算出节点最有可能发生的不可信行为策略，以及优化的监测策略。

其中，u_a、u_b、i₁、i₂、P_a和P_b都为向量集合，、为向量集合中的元素。

非零和博弈模型是一个五元向量组G(Q,S,Z,P,U)，其中：

Q＝{Q_a,Q_b}是博弈双方集合。

Q_a表示N个不可信中继，Q_b表示监测***。

S＝{S_a,S_b}是博弈策略的集合。

表示不可信中继节点的策略，表示监测***的策略。

是特定策略下的动作集合。

$Z_a^t=\left\{{\left[z_a^i\right]}_{i=1,...,N}\right|s_a^t\},Z_b^k=\{{\left[z_b^i\right]}_{i=1,...,N}\left|s_b^k\right\}.$

P＝{P_a,P_b}是概率集合。

$P_a={\left[p_a^t\right]}_{t=1,...,M},P_b={\left[p_b^k\right]}_{t=1,...,M}$ 。表示不可信节点采取策略的概率，表示监测***采取策略的概率。

U＝{U_a,U_b}是不可信节点和监测***的效用矩阵。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

建立通信模型；获取通信模型的保密容量；

根据保密信道容量建立不可信中继节点与监测***间的博弈模型；

计算纳什均衡，获取博弈双方采取某一策略的概率P_a和P_b。

2.根据权利要求1所述的一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，其特征在于，所述通信模型具体为：

存在n个中继节点，一个源节点，一个目的节点，一个窃听节点；源节点到不可信中继节点R_i、不可信中继节点R_i到目的节点，以及不可信中继节点R_i到窃听节点的信道为准静态平坦衰落信道；

信道噪声n_SD，n_SR，n_RD均为方差σ²的加性高斯白噪声CN(0,σ²I_N)，其中，I_N为单位斜对角矩阵；n_SD为源节点S和目的节点D之间的信道噪声；n_SR为源节点S和不可信中继节点R_i之间的信道噪声；n_RD为不可信中继节点R_i和目的节点D之间的信道噪声。

3.根据权利要求1所述的一种预测中继节点行为模型及监测策略的方法，其特征在于，所述博弈模型具体为：

博弈效用为信道容量差V^t：

$V^t={\tilde{C}}_s-C_s\left(s_a^t\right)$

中继节点的效用表示为：

$u_a(s_a^t,s_b^k)=V^t{\mathrm{\&eta;}}^i{D}^{\mathrm{tk}}$

监视***的效用表示为：

$u_b(s_a^t,s_b^k)={\mathrm{\&eta;}}^i{D}^{\mathrm{tk}}{C}_s\left(s_a^t\right)$

其中，ηⁱ是检测率，表示监测***成功检测到第i个节点的不可信行为的概率；为保密容量；为当信道采取策略时的保密容量；D^tk为对不可信节点的惩罚以及监测***的收益；代表监测***b的第k个策略，代表不可信节点a的第t个策略。