针对OFDMA网络安全传输的跨层调度算法研究

摘要

由于无线通信系统具有广播的特性,无线通信系统中的数据安全问题一直的研究的热点与难点。而安全网络容量是无线网络物理层安全传输能力的重要指标。作为下一代高速移动通信技术,正交频分多址接入(ofdma)网络的物理层安全问题更是具有实际的研究意义。而无线网络状态的的随机性也给这项研究带来了很大的挑战。
　　为了达到提升ofdm a网络物理层安全的目标,本文针对ofdma网络特性,设计了不同的数据传输场景下的ofdma网络跨层调度算法。文中所包括的传输场景主要有:1)只有安全数据传输的OFDMA下行链路;2)同时具有开放与私密数据请求的ofdma下行链路;3)基于ofdma技术的认知无线电网络环境。针对上述三个场景,本文的主要工作与贡献如下:
　　1)在只有安全数据传输的ofdma下行链路中,每个用户对数据传输都有不同安全等级的要求。本文首先从安全信道容量角度定义每个用户不同等级的安全需求,即最小安全信道容量的要求。接着针对无线网络时变的特性,利用动态队列技术和李雅普诺夫优化方法设计实时的资源分配和流量控制算法—FCRA。该算法在不需要统计信息的情况下做决策,仅仅依靠实时信道状态信息和队列信息(实际数据队列和虚拟能量队列)实现接近最优的算法性能。并且FCRA算法借助虚拟能量队列,追踪时均的能量消耗,保证网络总体功耗满足时均的能量限制。最后仿真结果也验证了FCRA算法在保证网络稳定和获得最优时均吞吐量方面的性能。
　　2)在同时有安全与开放数据请求的下行链路中,除了用户私密数据的传输必须在物理层上满足完全保密(perfect security)的要求之外,其开放信息的传输还有时均的时延上界限制。本文首先提出跨层调度算法— FCRA-OP,利用了动态队列信息和即时信道状态信息做决策,以最大化网络时均加权吞吐量为目标,同时满足总的时均能耗限制。FCRA-OP算法除了对两种数据分别提出流量控制算法以及在移动用户之间的资源调度算法,还针对两种数据传输进行了私密传输控制:只有当私密传输的紧急程度大于开放信息的紧急程度时,系统才会给私密信息分配传输能力;否则为了满足开放信息时延的限制,所有的网络容量将被用来传输开放信息。
　　其次,我们得到了系统吞吐量与时延上界之间的折衷关系:对数据传输时延要求越宽松,系统能够获得的吞吐量性能越好。另外也证明,FCRA-OP算法则能在给定时延要求和有限数据缓存的条件下,通过调节控制参数F,使得网络总体加权吞吐量接近最优。
　　3)本文从提高频谱利用率的角度出发,提出了基于OFDMA技术的认知无线电网络环境中的二级网络资源调度问题。本文首先针对认知无线电网络的特性,首先提出让二级用户以全覆盖(M loverlay)的方式接入一级用户的频段,并给出全覆盖接入的最优性的理论证明。除此之外,设计了在全覆盖接入方式下拓展二级网络安全信道容量的跨层资源调度算法COCA,达到最大化二级网络总体吞吐量的目的。并从理论分析和仿真两个角度都证明了算法的性會b。

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插图索引

第一章绪论

1 .1 物理层安全简介

1.2 OFDMA网络概述

1 .3 本文工作、研究难点与意义

1 .4 研究现状及相关工作

1 .5 本文章节安排

第二章李雅普诺夫优化方法介绍

2 .1 李雅普诺夫优化方法简介

2 .2 基本排队模型介绍

2 .3 稳定性定理

2 .4 李雅普诺夫优化定理

2 .5 本章小结

第三章安全的OFDMA网络跨层调度算法

3 .1 引言

3 .2 系统模型

3 .3 问题描述

3 . 4 跨层控制算法FCRA

3 .5 算法性能分析

3 .6 仿真结果

3 .7 本章小结

第四章有时延及安全限制的OFDMA网络资源调 度

4 .1 引言

4.2 系统模型

4 .3 问题描述

4 . 4 在线控制算法FCRA-OP

4 .5 算法性能分析

4.6 仿真结果

4 .7 本章小结

第五章认知无线电环境下拓展安全信道容量的资 源调度

5 .1 引言

5 .2 系统模型

5 .3 问题描述

5 .4 在线控制算法

5 .5 算法性能

5 .6 实现方案

5 .7 仿真结果

5 .8 本章小结

第六章全文总结

6 .1 全文总结

6 .2 研究展望

参考文献

致谢

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攻读学位期间参与的项目

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