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1、无线通信网络的协作物理层安全机制研究随着无线通信技术的不断发展,人们的生活和工作方式正在发生着不断地改变,无线通信网络逐渐成为人们日常生活中不可或缺的一部分。用户在使用无线通信网络进行通信或者数据传输时,总是渴望获得更安全的通信服务。然而,无线信道的开放性、不稳定性以及广播特性,使得无线网络更容易遭受窃听攻击,造成机密信息的泄露。因此,如何确保无线通信过程中的信息安全是当前无线通信领域迫切需要解决的问题。物理层安全技术通过利用无线信道的衰落及时变特性实现信息的保密传输,避免了使用复杂的上层加密算法,是未来改善通信服务安全的首选技术。然而,利用物理层安全技术来保证通信安全时,
2、需要满足用户信道质量优于窃听信道质量这一信道约束条件。在现实网络环境中,该信道约束条件往往是无法时刻得到满足的。此时,需要利用节点协作来改善用户信道质量或退化窃听信道质量,从而满足信道约束条件。虽然目前针对协作物理层安全机制的研究已经有很多,但针对一些特定的网络场景,现有工作所提出的协作安全机制无法适用或者性能不佳。为此,本文将分别针对不同特定场景下的无线通信网络,在充分考虑节点存在自私性的前提下,深入研究协作物理层安全机制,主要研究内容如下:1.针对认知无线电网络,提出了一种基于斯塔克伯格博弈的协作安全机制。现有针对认知无线电协作安全机制的研究中,大多都只考虑了包含一个主
3、用户这种简单场景。而这种简单场景与实际场景之间的差异,将导致实际应用中的安全性无法得到保证。针对此问题,本文考虑了一个包含多个主用户的复杂场景,提出了一种基于斯塔克伯格博弈的协作安全机制。在该机制中多个主用户可以同时通过向次用户出让部分频谱资源的方式来换取次用户的协作干扰服务,以便改善各自的安全性能。考虑到用户存在自私性,利用多领导者-单跟随者斯塔克伯格博弈对多个主用户和一个次用户之间的协作交互过程进行建模,并将所提的博弈模型转化为一个广义纳什均衡问题,证明了博弈均衡解的存在性,并给出了一个迭代求解算法。仿真结果表明,利用本文所提出的协作安全机制,主次用户将分别按照博弈均衡
4、解进行最终决策,从而构建了稳定的协作关系。而通过协作,多个主用户可以同时得到安全性能上的改善,而次用户也可以获得更多的频谱资源。2.针对认知无线电网络,提出了一种基于双边稳定匹配的协作物理层安全机制。在次用户使用Underlay接入方式来共享主用户的频谱资源时,彼此之间将产生相互干扰。如果能够充分利用主用户对次用户所产生的干扰,则可以改善次用户获得的安全性能。基于这一事实,本文提出了一种新的协作物理层安全机制。在该机制中,每个次用户将被指定共享一个主用户的频谱资源,并且次用户的发送功率也将得到控制,以降低其对主用户产生的干扰。为了最大化次用户获得的总保密容量,首先使用全局优
5、化模型对该问题进行了建模,并给出了相应的求解算法。其次,考虑到用户的自私性,将主次用户之间的相互选择问题建模为稳定婚姻关系问题。通过引入干扰价格,对主用户和次用户之间的交互进行斯塔克伯格博弈建模,给出了一个寻找博弈均衡解的迭代求解算法,并证明了算法的收敛性。根据博弈均衡结果建立每个用户的偏好列表,然后再利用Gale-Shaply算法进行求解得到最终的稳定配对关系。仿真结果表明,在Underlay认知无线网络中利用本文所提协作物理层安全机制,可以在保证主用户通信质量不受影响的前提下,改善次用户获得的安全性能。3.在非认知无线网络中,当信道约束条件无法得到保证时,网络运营商需要
6、借助第三方协作节点的协作干扰服务来满足用户通信安全需求。由于提供协作干扰服务需要消耗自身资源,因此第三方协作节点不会无私地为无线网络用户提供服务。为了激励第三方协作节点提供协作干扰服务,网络运营商需要向其支付一定的费用。只有对第三方协作干扰节点进行合理地选择和分配,网络运营商才能以最小的支付费用来满足尽可能多的无线用户的通信安全需求。为此,本文将使用反向组合拍卖来完成对第三方协作节点的选择和分配过程。首先,提出了一种基于最优化的反向组合拍卖机制,并证明了该机制是满足激励相容和个体理性的。然后,考虑到基于最优化的反向组合拍卖机制具有较高的计算复杂度,又提出了一种基于贪婪的反向
7、组合拍卖机制。基于贪婪的反向组合拍卖机制可以在保证激励相容和个体理性的前提下,有效降低机制施行所需的计算复杂度,具有更高的实用价值。仿真结果表明,利用本文所提机制,网络运营商可以以较小的支付来保证尽可能多的用户的通信安全需求,提升了网络效益。4.当无线网络覆盖范围内不存在第三方协作节点时,为了保证无线网络用户的通信安全,需要在用户节点之间构建协作关系。为此,本文分别提出了两两用户协作和多用户协作这两种用户自主协作机制。此外,考虑到用户存在自私性,为了在用户节点之间构建稳定的协作关系,将两两用户协作机制中的用户协作关
