[發明專利]一種認知無線網絡中基于統計QoS保障的安全傳輸方法

有效

• 申請號: 201710035116.2
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106888458B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 王熠晨;徐文文;任品毅;杜清河;孫黎;高貞貞
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H04W16/10
• 分類號: H04W16/10;H04W28/24;H04W72/04;H04W72/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種認知無線網絡中基于統計QoS保障的安全傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、建立系統模型；所述的系統模型中包括主網PN和認知網CRN，其中主網PN的帶寬資源為W，認知網CRN共享主網PN的一部分帶寬資源而與之共存；所述的主網PN包括一個主用戶發射機PS和一個主用戶接收機PR，所述的認知網CRN包括一個認知用戶發射機SS、一個認知用戶接收機SR以及一個認知用戶竊聽接收機SE；其中PS-PR，PS-SR，PS-SE，SS-PR，SS-SR，SS-SE之間的信道增益分別表示為h_pp，h_ps，h_pe，h_sp，h_ss，h_se；所有的信道增益服從瑞利衰落模型，所有的信道增益在每個幀長T內保持不變，在幀與幀之間獨立變化，整個共存的網絡增益定義為向量所述的主用戶發射機PS以常功率P_P發射數據，認知用戶發射機SS的發射功率可變；

步驟二、確立主用戶PU的統計時延QoS保障框架；基于統計隊列分析理論，在主用戶發射機PS端建立一個隊列，此隊列具有恒定的數據到達速率R_A及隨機的數據服務速率R_p，使用隊列長度門限違反概率來描述主用戶PU的統計時延QoS要求；

確立主用戶PU的統計時延QoS保障框架具體包括：

基于統計隊列分析理論，主用戶PU的統計時延QoS保障用隊列長度門限違反概率來描述，其表達式如下：

P_r{Q_p≥Q_thp}≤P_thp (1)

Q_p代表PS的隊列長度，Q_thp代表PS的預定義隊列長度門限，P_thp代表所需的違反概率；將隊列長度門限違反概率轉化成相應隊列時延門限違反概率，得到：

P_r{D_p≥D_thp}≤P_thp (2)

式中，D_p代表PS的隊列時延，D_thp代表PS的預定義隊列時延門限；根據大離差定理，PS的隊列時延門限違反概率近似表達為式(3)：

式中，P_s(θ_p,θ_e,h)為表示認知用戶發射機SS的可變的發射功率；θ_P為PS的服務質量指數，θ_e為隊列安全受限指數，為PS數據到達過程的有效帶寬；有若式(2)成立，得到表達式(4)：

PS的統計時延QoS保障通過服務質量指數θ_P來定量的描述，D_P和D_thp值越大導致θ_P值越小，反之D_p和D_thp值越小導致θ_P值越大，θ_P值較小意味著寬松的時延QoS要求，θ_P值較大意味著嚴格的時延時延QoS約束；當θ_P趨近于0，PS能夠忍受任意長的時延，當θ_P趨近于無窮，PS不能忍受任意時延；

對于一個具有隨機數據離開速率過程的穩定系統，PS的服務速率過程有效容量的表達式(5)如下：

PS持續的離開速率不小于恒定的到達速率，若滿足下面的有效容量要求(6)式，PS的隊列時延門限違反概率限制即得到滿足；

步驟三、確立認知用戶SU的統計時延安全保障框架；在認知用戶竊聽接收機SE端建立一個隊列，此隊列具有隨機的到達速率為B[t]及恒定的數據服務速率R_E，使用隊列長度門限違反概率來描述認知用戶SU的統計時延敏感安全要求；

確立認知用戶SU的統計時延敏感安全保障框架具體包括：

通過在認知用戶竊聽接收機SE端建立一個隨機的到達速率為B[t]的隊列系統，用隊列長度門限違反概率描述認知用戶竊聽接收機SE統計時延敏感安全，表達為：

P_r{Q_e≥Q_the}≤P_the (7)

式中，Q_e代表認知用戶竊聽接收機SE端的隊列長度，Q_the代表認知用戶竊聽接收機SE端隊列的預定義隊列長度門限，P_the代表所需的違反概率；將隊列長度門限違反概率轉化成相應的隊列時延門限違反概率，得到表達式(8)：

P_r{D_e≥D_the}≤P_the (8)

D_e代表SE端隊列的時延，D_the代表SE端隊列的預定義隊列時延門限；D_e和D_the的值越大意味著時延要求更寬松，D_e和D_the值越小意味著時延限制越嚴格，根據大離差定理，SE的隊列時延門限違反概率近似表達為式(9)：

式中，θ_e為時延敏感安全指數，為SE的數據到達過程的有效帶寬，其表達式(10)如下：

若表達式(8)成立，得到表達式(11)：

認知用戶SU的安全要求通過時延敏感安全指數θ_e來定量的描述，D_e和D_the值越大導致θ_e值越小，反之D_e和D_the值越小導致θ_e值越大，θ_e值較小意味著安全要求越寬松，θ_e值較大意味安全要求越嚴格；當θ_e趨近于0，意味著SU對安全沒有要求，當θ_e趨近于無窮，則意味著SU不能忍受一點不安全，根據有效容量理論，認知用戶竊聽接收機SE服務速率過程的有效容量記為則

認知竊聽用戶接收機恒定的離開速率不小于持續的到達速率，若滿足下面的有效容量要求(12)式，認知竊聽用戶接收機的隊列時延門限違反概率限制即得到滿足；

步驟四、形成待優化問題：在最大化認知無線電網絡的發射機的平均吞吐量的同時，滿足：a.主用戶發射機的統計時延服務質量要求、b.認知用戶發射機的統計時延敏感安全要求、c.認知用戶發射機的平均發射功率限制、d.認知用戶發射機的峰值發射功率限制；

步驟五、將待優化問題轉化成等價的數學問題，得到其拉格朗日函數并進行求解；

步驟六、根據凸包和概率傳輸理論得到數學問題的凸包算法；

步驟七、通過該算法，把非凸的數學問題轉化成等價的凸問題，然后使用凸優化理論對其求解，得到最優的功率分配方案。