[發明專利]對抗半雙工主動竊聽的基于虛擬決策的D2D協同中繼選擇方法

有效

• 申請號: 201810415623.3
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN108834108B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 王金龍;羅屹潔;徐以濤;龔玉萍;楊旸;江漢
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: H04W4/70
• 分類號: H04W4/70;H04W12/08;H04W40/22
• 代理公司: 北京思創大成知識產權代理有限公司 11614
• 代理人: 王堯

本發明提供一種對抗半雙工主動竊聽的基于虛擬決策的D2D協同中繼選擇方法，該方法采用聯合D2D協同中繼和友好干擾的方法提升蜂窩系統的安全性能和數據傳輸性能。針對不同的攻擊模式采用穩健可靠的D2D協同中繼選擇來優化蜂窩用戶的安全可達速率和數據傳輸速率。本發明采用了一種基于虛擬決策的D2D協同中繼選擇方案，建立了合法用戶和主動竊聽者之間的非協作博弈模型，可提高蜂窩用戶通信的安全性和可靠性，優于傳統的最近距離中繼選擇算法和隨機選擇算法。

技術領域

本發明屬于5G移動通信中D2D協同中繼選擇技術，特別是一種在主動竊聽下面向物理層安全的基于虛擬決策(fictitious play)的D2D協同中繼選擇方法。

背景技術

傳統的通信安全一般都是在網絡層等高層通過加密和鑒權來實現，但隨著計算機計 算速度和能力的不斷提升，高層的安全措施不能保證完美的數據安全。因此，利用無線信道的物理特征來提升數據傳輸的安全性具有重要的現實意義。研究物理層安全成為目前無線通信中通信安全的一個重要方向。在物理層安全的研究中，大部分系統模型中假 設存在的是被動竊聽者，只能通過接收授權信號并經過解密譯碼達到竊聽的目的。而如 果竊聽者具有被動竊聽或者主動干擾的能力，并可以在這兩種攻擊方式下自由切換，則 其帶來的安全威脅更大。

D2D通信是蜂窩網絡中距離較近的蜂窩用戶之間不需要通過基站轉發的直接數據通信，在與傳統蜂窩用戶共享信道的模式(underlay模式)下，其能帶來更高的頻譜效 率和能量效率，并能降低傳輸時延和減輕基站的業務負載。雖然D2D通信會給蜂窩通 信帶來不可避免的干擾，但從物理層安全角度考慮，其帶來的干擾也會惡化竊聽信道， 降低竊聽速率，在一定的條件下提升蜂窩系統的安全可達速率，因此D2D通信帶來的 干擾對于蜂窩用戶物理層安全性能來說是友好干擾。而當竊聽者切換為主動干擾模式時， 如果D2D還是采用友好干擾的方式只會加重蜂窩用戶的干擾，降低其數據傳輸性能。 因此在主動干擾下，從D2D通信對中選擇最佳的D2D發射機作為蜂窩通信的協同中繼 才能提升蜂窩用戶此時的傳輸速率。

因此本發明針對系統中存在可以自由切換被動竊聽和主動干擾兩種攻擊模式的竊 聽者(簡稱為主動竊聽者)時，提出了基于虛擬決策的D2D協同中繼選擇方案，該方 案通過分析不同攻擊模式下蜂窩用戶的安全可達速率和數據傳輸速率，采用D2D協同 中繼和友好干擾相結合的方式來提升蜂窩網絡的傳輸安全性和穩健性。此方案可實現有 效的D2D協同中繼選擇，達到提升蜂窩系統數據傳輸安全性和可靠性的要求。

發明內容

本發明的目的是針對網絡中存在能夠被動竊聽或者主動攻擊的半雙工惡意攻擊者 的情況下，基站如何選擇D2D節點以及協同方式的問題，提出一種基于虛擬決策的D2D中繼選擇算法。技術方案是在非協作博弈模型的框架下，通過基于虛擬決策的算法獲得 該博弈模型的相關均衡，并最終確定基站選擇每個D2D發射機作為協同中繼的概率選 擇統計穩定值。

本發明是通過以下具體方案實現的：

一種對抗半雙工主動竊聽的基于虛擬決策的D2D協同中繼選擇方法，該方法包括以 下步驟：

第一步：基站廣播發送協同傳輸的請求，所有D2D用戶在接收到協同請求后，回復應答消息，基站根據應答信息估計信道狀態信息；同時主動竊聽者根據基站的廣播信息 估計竊聽信道狀態信息；

第二步：基站和主動竊聽者根據各自的選擇準則確定每次迭代的策略，具體步驟如 下：

2.1、初始化；

2.2、迭代次數加1：k＝k+1；

2.3、根據最大化蜂窩用戶平均效用函數和最小化攻擊者的干擾代價的準則來選擇最 佳的D2D中繼和最佳的干擾模式；

2.4、更新不同D2D發射機作為協同中繼的策略選擇概率向量；

2.5、迭代進行，直到算法收斂。