İşbirliğine Dayalı Kod Çözme ve İletme Aktarma Ağında Güvenlik ve Enerji Verimliliği Analizi
Li Yan, Yang Shouyi, Shi Lulu, Zhang Ruizhe
(Bilgi Mühendisliği Okulu, Zhengzhou Üniversitesi, Zhengzhou 450001, Henan)
Fiziksel katman güvenliği teorisine dayanarak, gizli dinleme yapan kullanıcıların varlığında işbirliğine dayalı kod çözme ve iletme röle ağlarındaki güvenlik ve enerji verimliliği konuları incelenmiştir. Güvenlik enerji verimliliği, enerji tüketimi birimi başına iletilebilen gizli bilgi miktarını ifade eder. Her düğümün iletim gücü kısıtlamasının ve rölede minimum kod çözme hızı gereksiniminin karşılanması koşulu altında, sistemin güvenlik ve enerji verimliliğini maksimize etmek için güç kontrolü kullanılır. Kesirli programlama ve DC (Dışbükey fonksiyonların farkı) programlama teorisini kullanarak dışbükey olmayan amaç fonksiyonu problemini hedefleyen amaç fonksiyonu, çözümü optimize etmek için yineleme yoluyla alt fonksiyonlara ayrıştırılır. Simülasyon sonuçları, enerji verimliliği optimizasyonunun sistemin güvenliğini ve enerji verimliliğini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir.
İşbirliğine dayalı iletişim; kod çözme ve iletme; güvenlik ve enerji verimliliği
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN92
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.02.025
Çince alıntı biçimi: Li Yan, Yang Shouyi, Shi Lulu, vb. Kooperatif Kod Çözme ve İletme Aktarma Ağında Güvenlik ve Enerji Verimliliği Analizi. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (2): 102-106, 111.
İngilizce alıntı biçimi: Li Yan, Yang Shouyi, Shi Lulu ve diğerleri.İşbirlikçi kod çözme ve iletme aktarma ağları için güvenli enerji verimliliği analizi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (2): 102-106, 111.
0 Önsöz
Kablosuz kanalın yayın özellikleri ve açıklığı nedeniyle, üçüncü taraf kullanıcılar bu kanalda iletilen gizli bilgileri kolayca dinleyebilir. Bu nedenle, kablosuz ağların güvenli iletimi gittikçe daha önemli hale geliyor. Kablosuz iletişim güvenliğini iyileştirmenin iki ana yöntemi vardır: ağ katmanı anahtar şifreleme teknolojisi ve fiziksel katman bilgi güvenliği teknolojisi. Anahtar şifreleme, ağ protokolünden başlar ve şifreleme algoritması kablosuz ağın güvenli iletimini daha iyi sağlayabilir, ancak kırma algoritması genellikle hızlı bir şekilde görünür, bu nedenle daha etkili bir güvenli iletim yöntemi aramak gerekir. Bilgi teorisine dayalı fiziksel katman güvenlik teknolojisi, kablosuz kanalın yayılma özelliklerinden tam olarak yararlanmakta, anahtar yönetimi ve dağıtım sorunları yaşamamakta, kablosuz iletişimin güvenli iletimini daha da ileri götüren şifreleme teknolojisi ile birbirini tamamlamaktadır ve son yıllarda yoğun ilgi görmüştür.
Fiziksel katman güvenliği ile ilgili mevcut literatürde, araştırmacılar, asgari güvenlik oranı gereksinimlerini karşılarken, kaynak tahsisi yoluyla sistemin güvenlik oranını maksimize etmeye veya sistemin toplam iletim gücünü en aza indirmeye odaklanmaktadır. Ancak, bu iki optimizasyon stratejisinin hiçbiri optimum enerji kullanım verimliliğini sağlayamaz. Bu sorunu çözmek için, literatür ve literatür, sistemin güvenlik ve enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için güç kontrolü ve röle seçimi yoluyla röle ağında gizli dinleme düğümlerinin varlığını inceledi. Bilişsel radyo ağına dayanan literatür, en yüksek güç kısıtlaması ve girişim kısıtlaması karşılandığında sistemin kesinti olasılığını ve güvenlik enerji verimliliğini inceler. Literatür, kötü niyetli kullanıcıların etkisini, yasal kullanıcı sayısını ve güvenlik ve enerji verimliliği üzerindeki karar eşiğini inceler. Literatür, fiziksel katman güvenliğindeki anahtar matrisi tanıtmakta ve güvenli iletişimi sağlama temelinde sistemin tepe / ortalama oranı, bant genişliği ve diğer performans üzerindeki etkisini incelemektedir. Kısacası, mevcut çalışmaların hiçbiri spektrum paylaşım mekanizmasındaki güvenlik ve enerji verimliliği konularını dikkate almıyor.
Bu nedenle, bu makale, işbirlikli röle iletimine dayalı spektrum paylaşım mekanizması altındaki fiziksel katmanın güvenlik ve enerji verimliliğini incelemektedir. İncelenen işbirlikçi röle ağında, bilişsel kullanıcı vericisi, ikinci zaman aralığında yetkili kullanıcılar için veri xp'yi iletmek için bir röle görevi görür ve xp sinyalini ve kimlik doğrulama sinyalini çözmek için sırasıyla güç tahsis faktörlerini a ve 1-a kullanır. Kullanıcı verilerinin xs doğrusal olarak üst üste bindirilip iletildiği bilinerek, yetkili ağın iletişim kalitesi iyileştirilir ve spektrum erişim fırsatı elde edilir. Gizli dinleme düğümü, xp ve xs sinyallerini engellemeyi ve kodunu çözmeyi amaçlamaktadır. Bu iletim mekanizmasına dayanarak, bu makalenin amacı, güç tahsisi yoluyla sistemin güvenlik ve enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarırken, en yüksek güç kısıtlamalarını ve kod çözme hızı kısıtlamalarını karşılar.
1 Sistem modeli ve sorun bildirimi
1.1 Kooperatif spektrum paylaşım röle modeli
Şekil 1'de gösterildiği gibi, kablosuz kanalın yayınlanması nedeniyle, üçüncü taraf kullanıcılar, kapsama ağı içinde iletilen gizli bilgileri kolayca dinleyebilir. Bu bilişsel telsiz işbirliğine dayalı röle ağında gizli dinleyen bir kullanıcı (E) olduğunu varsayın. Gizlice dinleyen kullanıcı PT'den uzak olduğu için, ilk zaman aralığı veri alırken solmadan büyük ölçüde etkilenir. Bu makale YT ile E düğümü arasındaki doğrudan bağlantıyı dikkate almaz. İletim bağlantısı. Sırasıyla yetkili ağın ve bilişsel ağın iletilen sinyallerini belirtmek için xp ve xs kullanın ve PT ve ST'nin iletim gücü sırasıyla pp ve ps olarak belirtilir. Kanal bağlantısı ve karşılık gelen mesafe Şekil 1'de gösterilmektedir. Her düğüm tek antenli yarı çift yönlü bir çalışma modunu benimser. Kanal katsayısı:
Tüm iletim süreci iki zaman dilimine bölünmüştür: ilk zaman dilimi, PT yayın sinyali xp, ardından PR, ST ve SR'nin alınan sinyalleri şunlardır:
SR, kanal katsayısı h3'ü bildiği için, ilk zaman aralığında alınan xp sinyaline göre denklem (8) 'deki girişim sinyali terimini ortadan kaldırabilir ve SR düğümündeki sinyal-gürültü oranı ve ulaşılabilir veri hızı şunlardır:
Gizli dinleme düğümü, ilk zaman aralığında alınan verilerin kodunu doğru bir şekilde çözebilirse, artı kanal katsayısı h6 elde edilebilirse, yetkili kullanıcı sinyali xp ve bilişsel kullanıcı sinyali xs ayırt edilebilir.Bu anda, gizli dinleme düğümündeki sinyal-gürültü oranı ve Ulaşılabilir oranlar:
1.2 Güç tüketimi modeli
Tüm iletim süreci iki zaman dilimine bölünmüştür, bu nedenle sistem tarafından tüketilen toplam güç, iki zaman dilimi tarafından tüketilen gücün toplamı olmalıdır. PT sinyali ilk zaman aralığında yayınlar ve ikinci zaman aralığında sessiz kalır, bu nedenle PT düğümünün enerji tüketimi:
1.3 Problem modelleme
Enerji kullanımını daha verimli hale getirmek için sistemin güvenliği ve enerji verimliliği optimize edilmiştir. Amaç işlevi şu şekilde ifade edilebilir:
2 Algoritma tasarımı
Amaç işlevi dışbükey olmadığından, dışbükey optimizasyon yöntemleri kullanılarak çözülemez. Bu nedenle, kesirli programlama ve DC programlama teorileri kullanılarak, amaç fonksiyonu katman katman çözülecek alt problemlere dönüştürülür.
2.1 Kesirli programlamaya dayalı dış yineleme
Amaç işlevi kesirli biçimdedir, bu nedenle kesirli programlama, amaç işlevini dönüştürmek için kullanılabilir. Doğru kod çözmeyi sağlamak için, ST düğümünün elde edilebilir veri hızının RSTA RO'yu karşılaması gerekir. Formül (3) ile şunları elde edebiliriz:
Formül (28) karşılanırsa, yineleme sonlandırılır, aksi takdirde sonraki yineleme girilir, burada > 0, kesirli programlamanın yineleme doğruluğudur.
2.2 DC planlamasına dayalı iç iterasyon
Sabit kullanıcı arabirimi için, amaç işlevi dışbükey olmadığından, çözümü hala zordur, bu nedenle DC programlama teorisi tanıtılmıştır.
Bu nedenle, {B (pk) -D (pk)} azalıyor. Sertifika tamamlandı.
Yinelemeli süreç azalıyor ve yakınsıyor. Yakınsamanın ispat süreci için lütfen literatüre bakın. Formül (37) karşılandığında, yinelemeli süreç sonlandırılır.
2.3 Algoritma özeti
Bu yazıda önerilen algoritma, önce amaç fonksiyonunu, kesirli programlamaya dayalı olarak u hakkında bir parametre planına dönüştürür ve ardından bunu yinelemeli bir yöntemle çözer. Toplamda 2 döngü katmanı vardır: en içteki katman DC planlama ve çözme problem denklemidir (26), en dış katman kesirli programlamadır ve iç katmanda elde edilen güç, orijinal probleme karşılık gelen parametre planlama problem denklemini (30) çözmek için kullanılır.
Algoritma 1: Güvenliği ve enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için yinelemeli algoritma
3 Simülasyon sonuçları ve performans analizi
Şekil 2 ile aynı düğüm konumunu kullanan Şekil 3, gizli dinleme düğümü farklı konumlarda olduğunda iki şemanın ortalama güvenlik enerjisi verimliliğini karşılaştırır. Bu yazıda önerilen algoritma ile elde edilen ortalama güvenlik enerji verimliliğinin, gizlilik oranını maksimize eden ortalama güvenlik enerji verimliliğinden önemli ölçüde daha iyi olduğu Şekil 3'ten görülebilmektedir. Gizli dinleme düğümü, yasal kanala kıyasla PT ve ST düğümlerinden daha uzak ve daha uzak olduğunda, gizli dinleme kanalı zayıflaması giderek daha güçlü hale gelir ve daha küçük ve daha küçük Re ile sonuçlanır. Bu nedenle, iki optimizasyon şemasının ortalama enerji verimliliği eğrileri artmaktadır.
Şekil 3 ile aynı düğüm konumunu kullanarak, Şekil 4, gizli dinleme düğümü farklı konumlarda olduğunda iki şemanın ortalama güvenlik oranını karşılaştırır. Maksimum güvenlik oranına göre maksimum güvenlik enerji verimliliği altındaki güvenlik oranının belirli bir kayıp olduğu Şekil 4'ten görülebilmektedir. Bunun nedeni, gizli hız fonksiyonunun, (1-) r5-r6'yı karşılayan, Pp'nin monoton olarak artan bir fonksiyonu olmasıdır. > Zaman 0, Ps'nin monoton olarak artan bir fonksiyonudur. Bu nedenle, daha yüksek bir güvenlik oranı elde etmek için, daha yüksek güç kaçınılmaz olarak tüketilecektir, ancak şu anda güvenlik ve enerji verimliliği optimum olmayabilir. Diğer bir deyişle, güvenliği ve enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için, daha küçük bir güçle veri göndermek mümkündür, ancak şu anda ulaşılan güvenlik oranı da küçüktür, yani güvenlik enerji verimliliği ile güvenlik oranı arasında bir denge vardır. Ek olarak, her iki şemada da, a ne kadar büyük olursa, ortalama güvenlik hızı o kadar düşük olur, çünkü ne kadar büyükse, bilişsel kullanıcı verilerini iletmek için kullanılan güç o kadar küçük ve dolayısıyla Rs o kadar küçüktür Diğer yandan, a ne kadar büyükse, yetkili kullanıcı verilerini iletmek için kullanılan güç o kadar düşük olur. Güç gittikçe büyüyor, ancak Rp1 + Ppr1 + / (1-), ile Rp'nin artışı çok sınırlı olduğundan, arttıkça sistemin güvenlik oranı düşer.
4. Sonuç
Önerilen işbirlikli röle ağında, bir röle düğümü olarak hareket eden bilişsel kullanıcı vericisi, geleneksel iki yuvalı iletim mekanizmasını değiştiren üst üste bindirilmiş kodlar aracılığıyla yetkili kullanıcılar için işbirliğine dayalı iletimi tamamlarken kendi iletişim hedefini gerçekleştirir. Ek olarak, fiziksel katman güvenliğine dayalı iletim şemasında, enerji verimliliği ile veri hızı arasındaki denge hala mevcuttur. Dışbükey olmayan güvenlik enerji verimliliği işlevini hedefleyen bu makale, hedef işlevi ayrıştırmak için kısmi planlama ve DC planlamasını kullanır, böylece yinelemeli bir yöntemle güç optimizasyonunu tamamlar ve sistemin güvenlik enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarır.
Referanslar
SILVA E, DOS S A, ALBINI L C P, vd.Mobil Ad Hoc ağlarında kimlik tabanlı anahtar yönetimi: teknikler ve uygulamalar IEEE Kablosuz İletişim, 2008, 15 (5): 46-52.
LIANG Y, POOR H V, SHAMAI S. Bilgi teorik güvenliği, İletişim ve Bilgi Teorisinde Temeller ve Eğilimler, 2009, 5 (4): 355-580.
MOKARI N, PARSAEEFARD S, SAEEDI H, vd.Röle destekli bilişsel radyo ağlarında güvenli sağlam ergodik yukarı bağlantı kaynak tahsisi. Sinyal İşleme IEEE İşlemleri, 2015, 63 (2): 291-304.
Zhang Jie, Xiong Jun, Ma Dongtang.Çok ışınlı uydu iletişim sisteminde fiziksel katman güvenli iletim algoritması.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2014, 40 (11): 116-119.
WANG D, BAI B, CHEN W, et al. AF aktarmada yüksek enerji verimliliği ve fiziksel katman güvenliği elde etmek. Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2016, 15 (1): 740-752.
WANG D, BAI B, CHEN W, ve diğerleri. Kod çözme ve iletme aktarma kanalları üzerinden enerji açısından verimli güvenli iletişim. IEEE İşlemleri İletişim, 2015, 63 (3): 892-905.
XU X, CAI Y, YANG W, et al. Büyük ölçekli rastgele CRN'lerde fiziksel katman güvenliği için enerji açısından verimli optimizasyon. Uluslararası Kablosuz İletişim ve Sinyal İşleme Konferansı. IEEE, 2015.
ALTHUNIBAT S, SUCASAS V, MARQUES H, et al. Bilişsel radyo için işbirlikli spektrum algılamada güvenlik ve enerji verimliliği arasındaki değiş tokuş hakkında. Communications Letters IEEE, 2013, 17 (8): 1564-1567.
Xu Jie, Gao Baojian, Luo Yongling ve diğerleri Paralel rastgele faz rotasyonuna dayalı fiziksel katman güvenlik algoritması Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2013, 39 (1): 143-146.
DINKELBACH W.ON doğrusal olmayan kesirli programlama.Management Science, 1967,13: 492-498.
TAO P D, THI H A L. DC programlama ve DCA'daki son gelişmeler. Hesaplamalı Zeka İşlemleri XIII. Springer Berlin Heidelberg, 2014.
DUAN L, GAO L, HUANG J. Kooperatif spektrum paylaşımı: Sözleşmeye dayalı bir yaklaşım Mobil Bilgi İşlem IEEE İşlemleri, 2014, 13 (1): 174-187.
