基于模糊邏輯算法的安全中繼選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊算法的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) 安全中繼選擇方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的快速發(fā)展，無線頻譜資源供需日益緊張，認(rèn)知無線電技術(shù)將空閑 授權(quán)頻譜資源二次利用以提高頻譜資源的利用率，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)因而成為未來無線網(wǎng)絡(luò)的 發(fā)展趨勢。
[0003] 認(rèn)知無線電是認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中提高頻譜利用率的一項關(guān)鍵技術(shù)，它通過檢測空閑 頻譜，為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)提供基本的頻譜信息，使發(fā)送端的發(fā)射參數(shù)能夠根據(jù)環(huán)境的變化進 行自適應(yīng)調(diào)整；并可以在不影響主用戶通信的前提下，智能地利用大量空閑頻譜滿足次用 戶的傳輸需求，從而實現(xiàn)頻譜資源共享，有效地提高了無線頻譜的利用率。
[0004] 認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用空閑頻譜滿足更多用戶的需求，因而能夠緩解無線頻 譜資源短缺的危機，但是因為無線信道具有廣播特性并且認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是開放的， 所以認(rèn)知頻譜共享系統(tǒng)極易受到竊聽攻擊，導(dǎo)致認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)安全問題面臨諸多挑戰(zhàn)。在 網(wǎng)絡(luò)層以上，主要使用基于密鑰加密的方法解決無線網(wǎng)絡(luò)安全問題，這種方法通過在網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議棧的上層采用各種加密算法來保證數(shù)據(jù)的安全性。從物理層來看，協(xié)同中繼傳輸不僅 能提高認(rèn)知用戶的傳輸可靠性，而且也能增強認(rèn)知用戶物理層安全性。
[0005] 目前針對多中繼認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的研宄中，協(xié)同中繼傳輸技術(shù)通過用戶協(xié)同能夠獲 得分集增益、提高傳輸性能、增加通信距離。物理層安全傳輸方案主要利用了中繼選擇來增 強認(rèn)知用戶的物理層安全性能。目前多數(shù)利用中繼選擇增強認(rèn)知用戶的物理層安全性能的 方法都把問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題來求解，該方法要進行多次迭代，復(fù)雜度高。本發(fā)明中提出 使用模糊邏輯算法來做出基于物理層安全的中繼選擇。
[0006] 模糊邏輯推理是建立在模糊邏輯基礎(chǔ)上的，它是一種不確定性推理方法，是通過 模糊規(guī)則將給定輸入元素轉(zhuǎn)化為輸出元素的過程。模糊邏輯包含模糊化、模糊規(guī)則和去模 糊化。圖1所示是本發(fā)明中的模糊邏輯控制器，輸入元素通過模糊化模塊，在模糊處理系統(tǒng) 中與模糊規(guī)則進行對應(yīng)，通過去模糊化模塊后得到輸出元素。模糊推理就是將輸入元素的 模糊集通過模糊化模塊的模糊邏輯方法對應(yīng)到特定輸出模糊集的計算過程。模糊規(guī)則就是 在進行模糊推理時依賴的規(guī)則，通?？梢杂米匀徽Z言表述。通過模糊推理得到的結(jié)果是一 個模糊集合或者隸屬函數(shù)。在推理得到的模糊集合中取一個相對最能代表這個模糊集合的 單值的過程就稱為解模糊或模糊判決。模糊判決可以采用不同的方法，用不同的方法所得 到的結(jié)果也是不同的。去模糊化就是將模糊結(jié)論轉(zhuǎn)化為具體的、精確的輸出的過程。本發(fā) 明米用的是面積中心去模糊化。
[0007] 在參考文獻[1](HuiMa，PimingMa，BeamformingDesignof Decode-and-ForwardCooperationforImprovingWirelessPhysical LayerSecurity,ICACTTransactionsonAdvancedCommunications Technology(TACT)，vol. 1，issue2,pp. 41_49Sep. 2012.)中，為提高物理層安全性能，中繼 采用解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)模式，在每個協(xié)作的中繼上設(shè)計波束成形因子，采用凸優(yōu)化和一維搜索的方 法求解，以實現(xiàn)安全合速率最大。目前在無線通信系統(tǒng)中，協(xié)作的波束成形和干擾噪聲是兩 個有效的提高物理層安全性能的方案，將兩者聯(lián)合起來優(yōu)化安全合速率能更好地提高系統(tǒng) 性能。
[0008] 在參考文獻[2](Hui-MingWang,Xiang-GenXia,QinyeYin,ToSecure Amplify-and-ForwardRelaySystemsviaJointCooperativeBeamformingand Jamming,SignalandInformationProcessing(ChinaSIP)，2013.)中，作者提出一個將發(fā) 送協(xié)作人工干擾噪聲和波束成形相結(jié)合的安全策略，在滿足單個中繼功率受限的情況下優(yōu) 化安全合速率，在這種安全策略中波束成形因子和功率分配通過二階凸錐規(guī)劃和線性規(guī)劃 相結(jié)合的方法求解。雖然文章提出了波束成形和干擾噪聲聯(lián)合的方案，但使用的仍然是需 多次搜索，復(fù)雜度高的凸優(yōu)化方法。
[0009] 在參考文獻[3](GlauberBrante,GuilhermedeSantiPeron,RichardDemo Souza,andTaufikAbrao,DistributedFuzzyLogic-BasedRelaySelectionAlgorithm forCooperativeWirelessSensorNetworks,IEEESENSORSJOURNAL,VOL. 13,NO. 11,NO VEMBER2013.)中，作者提出了一種新的通過模糊邏輯來實現(xiàn)的中繼選擇算法來提高網(wǎng)絡(luò)的 生命時長和端到端的吞吐。該方法是在一個分布式的環(huán)境下，將中繼和目的端的鏈路狀態(tài) 信息以及傳感器的電池能量作為模糊參數(shù)，通過模糊邏輯算法來提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。
[0010] 綜合上述參考文獻可以看出，通過中繼選擇來增強認(rèn)知用戶的物理層安全性能是 一個發(fā)展趨勢。目前這方面的研宄中，中繼選擇問題一般被轉(zhuǎn)化為需多次搜索，復(fù)雜度高的 凸優(yōu)化問題來求解，而本發(fā)明中引進的模糊邏輯算法在物理層安全中繼選擇中能顯著提高 求解效率，減小計算復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的安全中繼選擇復(fù)雜度高的問題，提出一種基于 模糊邏輯算法的安全中繼選擇方法，該方法包括了特定認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型下優(yōu)化問題 的提出，求解的過程和仿真的結(jié)果。在問題求解的過程中確定了模糊集合，建立了中繼到 接收端的信道狀態(tài)信息、中繼總的發(fā)射功率、接收端最大安全合速率的三個隸屬函數(shù)，形成 了模糊規(guī)則庫并使用了離散面積中心法來去模糊化，從而選擇一個中繼作為干擾源發(fā)送噪 聲。模糊邏輯算法的求解過程只涉及到簡單的線性計算，并無復(fù)雜的迭代過程，相比于用凸 優(yōu)化來求解的方法，復(fù)雜度要小很多。
[0012] 本發(fā)明提出的基于模糊邏輯算法的安全中繼選擇方法，包括如下步驟：
[0013] 一 .在特定的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)場景下，認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型包括次用戶發(fā)送端和 接收端、主用戶接收端和竊聽者接收端，以及N個中繼節(jié)點；次用戶的發(fā)送端發(fā)送信息給 N-1個中繼節(jié)點，第N個中繼節(jié)點當(dāng)做干擾源，干擾源廣播干擾噪聲；其余的N-1個中繼節(jié) 點采用放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，對接收到的信息不做處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)給次用戶接收端；不考慮次用戶 發(fā)送端對主用戶接收端的干擾，且竊聽者接收端竊聽不到次用戶發(fā)送端的信息；同時考慮 中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息對主用戶接收端的干擾受限；認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中的信道均采用慢 平坦的瑞利衰落信道，信道的表達式如下：
[0014]
(1)
[0015] 其中，d表示某個中繼節(jié)點到次用戶發(fā)送端、次用戶接收端、主用戶接收端或竊聽 者接收端之間的距離，a為衰減因子，V為是均值為0、方差為1的復(fù)高斯隨機變量。
[0016] 二.為該系統(tǒng)模型建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件。
[0017] 三.采用模糊邏輯算法求解優(yōu)化問題。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明中模糊邏輯算法的求解只涉及簡單的線性運算，不需 要復(fù)雜的迭代過程。相比于凸優(yōu)化求解，模糊邏輯算法的運算量小，在認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)中具有 現(xiàn)實最大安全合速率的可行性。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明實際應(yīng)用的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)場景示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明中模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ] 圖3為申旲糊隸屬函數(shù)不意圖；
[0022] 圖4為次用戶接收端最大合速率vs中繼節(jié)點總的發(fā)射功率仿真示意圖；
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024] 本發(fā)明提出一種基于模糊邏輯算法的安全中繼選擇方法。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)場景 下，中繼基于放大轉(zhuǎn)發(fā)模式，為保證物理層安全，使用模糊邏輯算法選出一個中繼作為干 擾，發(fā)送干擾噪聲。將該干擾對主用戶的干擾考慮在內(nèi)，其余的中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信息，以實現(xiàn) 最大安全合速率。該模糊邏輯算法需要使用中繼到目的端的信道狀態(tài)信息和中繼的總發(fā)射 功率作為模糊參數(shù)。
[0025] 本發(fā)明提出的基于模糊邏輯算法的安全中繼選擇方法應(yīng)用