一种面向5g车联网物理层安全的车载中继簇功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于安全密文技术领域，具体涉及一种面向5G车联网物理层安全的车载 中继簇功率分配方法。
【背景技术】
[0002] 随着科技的巨大进步与生活水平的逐步提高，人们不再简单的定义汽车为交通运 输工具与代步工具，汽车的安全性、环保性、舒适性以及娱乐性等方面的需求越来越大。这 些方面需求的急剧增加，导致车载通信的频谱资源短缺、频段拥挤、安全等问题日益突出。 而随着第五代移动通信（5G)的快速发展，其低时延、高可靠、频谱高效利用等方面的性能 可以有效解决当前车联网的问题，因此5G车联网的实现与部署将势在必行。
[0003] 认知车载通信是5G车联网的重要通信方式，指的车载终端利用额外的频谱资源 进行传播信息，在不影响主用户性能的前提下允许车载终端机会式地接入空闲频谱，提高 频谱资源利用率，为高密度车载信息的有效传输提供了可行的解决方案。与其他无线网络 相比，认知无线电网络往往需要预先估计授权系统（主用户）可以接受的非授权用户（次 用户或认知用户）对其产生的干扰信号功率，这个干扰信号功率被称为干扰温度，这是认 知无线电网络中必须得到保证的一个重要服务质量（QoS)指标。
[0004] 认知车载通信通过无线广播通信，而无线通信的广播特性易导致窃听者获取合法 用户的通信信息，保障认知车载通信的安全问题同样引起广泛的关注。随着计算机计算能 力的逐渐提高，尤其是量子技术的发展，获取密文便可解密将成为可能。
[0005] 而物理层安全技术指的是充分利用无线通信物理层的特性，来阻止窃听者获取合 法信息，不论是明文信息还是密文信息，从源头上保证了通信的绝对安全，随着5G技术研 究的逐渐深入，高速移动下的无线通信物理层特性将能精确获取。因此，研究实现认知车载 通信物理层安全的方法是必要与可行的。
【发明内容】
[0006] 发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种面向5G车联 网物理层安全的车载中继簇功率分配方法。
[0007] 技术方案：本发明的一种面向5G车联网物理层安全的车载中继簇功率分配方法， 包括源车载终端、车载中继簇、目的车载终端、若干可信主用户终端和若干窃听终端，且均 只配置单天线，分别记为 ST、SR= {SRpSRySRkhSDJU: {PUpPlV-PUj 与 EU= {EUp EUyEUj ;所述源车载终端发送源信息并指定中继簇的功率分配；所述车载中继簇由若干 可作为中继的可信车载终端组成，车载中继簇手机与各个接收端之间的信道状态信息、转 发源信息及人工噪声，所述目的车载终端、可信主用户终端和窃听终端接收最终信息；
[0008] 具体包括以下步骤：
[0009] (1)选择车载中继簇选择：源车载终端ST发送源信息前，从可作为中继的可信车 载终端中选择多个（根据实际环境确定具体数量）作为中继，构成一个车载中继簇SR，建立 源信息通过源车载终端-车载中继簇-目的车载终端通信链路；
[0010] (2)构建车载中继簇功率分配的模型：源车载终端构建以最小的车载中继簇总功 率实现通信的物理层安全、低干扰与高可靠的数学模型，该数学模型中对主用户终端产生 的干扰不会影响其性能，窃听终端几乎接收不到任何合法信息，且能保证目的终端正常接 收信息；
[0011] (3)计算车载中继簇功率分配模型：针对建立的模型，通过半定规划技术进行求 解，并利用二分法进行进一步优化，获取车载中继簇功率的具体分配；
[0012] (4)源车载终端指导车载中继簇功率分配：源车载终端持续接收相关的信道状态 信息，通过建模与计算问题模型得到具体分配方法后，将分配方法连同源信息一起广播发 送，指定的车载中继簇接收到信息之后，先对其进行能量归一化，再根据指定的功率分配方 法，放大转发源信息的同时发送人工噪声；
[0013] (5)接收端信息处理：主用户终端PU、窃听终端EU以及目的车载终端SD接收到相 应的信息，分别计算干扰温度INt与接收信噪比SINR SD、SINRey
[0014] 进一步的，所述步骤（1)中，可加入车载中继簇SR的可信车载终端标准为：
[0015] ㈧对接收到的信息以指定的功率进行放大转发；
[0016] (B)能在发送放大信号的同时发送指定形式的人工噪声；
[0017] (C)能利用主用户的终端授权频段与所有接收端建立通信链路；
[0018] (D)能评估与所有接收端在主用户终端频段上通信的信道状态信息，将其量化发 送给源车载终端。
[0019] 进一步的，所述步骤（2)中，构建车载中继簇功率分配的模型具体方法为：
[0020] 首先选择车载中继簇SR，源车载终端预先假设车载中继簇对接收到的信息进行能 量归一化后，进行放大转发所需功率矢量为α，发送的人工噪声矢量z的功率服从均值为 〇,协方差矩阵为Ε{ || ζ || 2} =Σ的高斯分布；利用获得的信道状态信息构建公式（1)所述 的关于α、Σ的模型：
[0025] 上式中，目标函数
表示最小化车载中继簇SR的总发射功率Ptot，其中 Pt〇t= α Ηα +tr( Σ )；
[0026] 而SINK Φ，IN Γ和SINR SD> Ψ均为约束函数，分别表示为EU中的所有 窃听终端的接收信噪比SINR^都必须低于实现物理层安全的阀值Φ、PU中各主用户终端 处的最高干扰温度INt都不高于影响主用户性能的阀值Γ以及目的车载终端SD的接收信 噪比SINRsd要达到预期的阀值Ψ。
[0027] 进一步的，所述步骤（3)中，计算车载中继簇功率分配的模型的具体过程为：
[0028] (31)定义A = α α H，利用半定松弛技术忽略秩一条件，将原问题优化成一个半定 规划问题；
[0029] (32)利用内点算法工具箱CVX对优化后的半定规划问题求解，获得A与Σ ;
[0030] (33)若Α的秩恰好为1，进行特征值分解得到α ;若Α的秩不为1，利用随机化方 法得到近似解α %
[0031] (34)用二分法对上一步求的解进行加权，加权因子λ e (〇, 1)，利用二分法 进行搜索查找，直到3預1^在Ψ± ε之间，获得更小的解α满足公式（1)。
[0032] 进一步的，在源车载终端获得放大转发所需功率矢量、人工噪声矢量ζ的协方差 矩阵Σ后，所述步骤（4)中源车载终端采用如下流程指导中继簇功率分配：
[0033] (41)源车载终端ST向车载中继簇发送源信息以及建模与计算之后得到的 α与Σ，其中P。为源车载终端ST发送源车载信息发送功率，X为能量归一化的合法信息；
[0034] (42)车载中继簇SR接收源车载终端ST所发送的信息，该信息为：
[0035] YR = /巧+ nR，放大转发所需功率矢量α、人工噪声矢量ζ的协方差矩阵Σ， 其中f为SR与ST之间的信道衰落系数矢量，nR为车载中继簇附近的加性高斯白噪声；
[0036] (43)车载中继簇SR先对其￥1?进行能量归一化，再通过指定的α与Σ在主用户终 端的授权频段上放大转发源信息的同时发送人工噪声，广播的信息为D ( a ) D (L) YR+z，其中 L为能量归一化向量。
[0037] 进一步的，所述步骤（5)中，
[0038] 目的车载终端SD接收到的信息为Yg= g T[D ( a ) D (L) YR+z] +ng，其中，g为SR与SD 之间的信道衰落系数矢量，\为SD附近的加性高斯白噪声；SD计算自身可获得的接收信噪 比3預1^达到预期的阀值Ψ，保证其可