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无线自组织网络的联合安全路由选择和功率优化算法

惠鏸 张晓静

惠鏸, 张晓静. 无线自组织网络的联合安全路由选择和功率优化算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2923-2930. doi: 10.11999/JEIT190909
引用本文: 惠鏸, 张晓静. 无线自组织网络的联合安全路由选择和功率优化算法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2923-2930. doi: 10.11999/JEIT190909
Hui HUI, Xiaojing ZHANG. Joint Secure Routing and Power Optimization Algorithm for Wireless Ad Hoc Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2923-2930. doi: 10.11999/JEIT190909
Citation: Hui HUI, Xiaojing ZHANG. Joint Secure Routing and Power Optimization Algorithm for Wireless Ad Hoc Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2923-2930. doi: 10.11999/JEIT190909

无线自组织网络的联合安全路由选择和功率优化算法

doi: 10.11999/JEIT190909
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1201500),国家自然科学基金(61873201),陕西省教育厅科学基金(19JS051)
详细信息
    作者简介:

    惠鏸:女,1979年生,副教授,研究方向为智能无线通信与物联网关键技术等

    张晓静:女,1994年生,硕士生,研究方向为无线多跳网络优化问题

    通讯作者:

    惠鏸 huihui@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: TN92

Joint Secure Routing and Power Optimization Algorithm for Wireless Ad Hoc Networks

Funds: The National Key R&D Program of China (2018YFB1201500), The National Natural Science Foundation of China(61873201), The Science Foundation of Shaanxi Provincial Education Department (19JS051)
  • 摘要:

    针对无线自组织网络在窃听环境中的安全传输问题,该文提出了一种无线多跳自组织网络的联合安全路由和功率优化算法。首先,在窃听者服从泊松簇过程(PCP)这一假设下推导得到了系统安全中断概率(SOP)和连接中断概率(COP)的表达式;然后以安全中断概率约束下的连接中断概率最小为准则,针对给定路径推导得到了源与各跳中继的最优传输功率,并进一步获得了源与目的节点间的最优路由。仿真结果表明,该文所提系统安全中断概率和连接中断概率的表达式与蒙特卡洛仿真结果相符,所提算法可获得与穷举搜索方法接近的安全性能,显著优于传统方法。

  • 图  1  存在非均匀窃听者簇的无线自组织网络

    图  2  父节点位置未知下合法节点数量的变化

    图  3  父节点位置未知下窃听者数量的变化

    图  4  父节点位置已知下合法节点数量的变化

    图  5  父节点位置已知下窃听者数量的变化

    图  6  父节点位置未知下的路由选择算法

    图  7  父节点位置未知下不同${\lambda _E}$的SOP

    图  8  父节点位置未知下不同SNR的SOP

    图  9  父节点位置已知下的路由选择结果

    图  10  父节点位置已知下不同${\lambda _E}$的SOP

    图  11  父节点位置已知下不同SNR的SOP

    表  1  父节点位置未知情况下的功率优化和路由选择算法

     输入:信噪比阈值${\gamma _c}$和${\gamma _e}$,安全中断概率约束$\zeta $;
     输出:最优路由${\varPi ^ * }$,最优传输功率$P_{{T_k}}^ * $;
     (1) 计算${({\varphi _k})^{{{\rm{2}} / {(2 + \alpha )}}}}$,并对传输距离进行赋值;
     (2) 用Dijkstra算法获得最优路由${\varPi ^ * }$;
     (3) 利用式(20)对最优路由上的各跳计算相应的最优传输功率
       $P_{{T_k}}^ * $;
     (4) 返回${\varPi ^ * }$, $P_{{T_k}}^ * $。
    下载: 导出CSV

    表  2  父节点位置已知情况下的功率优化和路由选择算法

     输入:网络相关信息,信噪比阈值${\gamma _c}$和${\gamma _e}$,安全中断概率约束$\zeta $;
     输出:最优路由${\varPi ^ * }$,最优传输功率$P_{{T_k}}^ * $;
     (1) 将网络中任意两合法节点间的距离赋值为${\varphi _k}$,将各合法节点
       到各窃听者簇的距离用${w_n}$进行赋值;
     (2) 建立矩阵${{M}} \in {\mathbb{R}^{(M + 2) \times (M + 2)}}$,将矩阵${{M}}$的第$i$行第$j$列元
       素用$\dfrac{ { {\gamma _c} } }{ { {\gamma _e} } }d_{i,j}^\alpha \displaystyle\sum\limits_{n = 1}^N {\dfrac{1}{ {d_{i,{C_n} }^\alpha } } }$进行赋值;
     (3) 初始时,路由节点集合${\cal{R} } = \{ {{S} }\}$;
     (4) 依据$k = \arg \min ({{M} }({{S} },{R_k}){\rm{ + } }{{M} }({R_k},{{D} }))$寻找${{S} } - {R_k} - {{D} }$
       距离最小的中继${R_k}$,并将其加入集合${\cal{R}}$;
     (5) 依据${{M} }({{S} },{R_k}) \!=\! \mathop {\min }\limits_{ {R_n},{R_n} \in {\cal{M} } } ({{M} }({{S} },{R_k}),{{M} }({{S} },{R_n}) \!+\!{{M} }({R_n},$
       ${R_k})) $判断是否存在其他备选中继节点使得距离缩短,若存在
       则将${R_n}$加入集合${\cal{R}}$,否则不变;
     (6) 与步骤(5)类似,依次判断整条链路中每一跳是否存在其他备
       选中继节点使得该跳距离缩短,若存在则将该中继加入集合
       ${\cal{R}}$,否则不变;
     (7) 重复步骤(6),直到整条路由的距离不再减少时,遍历结束并
       得到最优路由${\varPi ^ * }$;
     (8) 利用式(22)对最优路由上的每一跳计算相应的最优传输功
       率$P_{{T_k}}^ * $;
     (9) 返回${\varPi ^ * }$, $P_{{T_k}}^ * $。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-13
  • 修回日期:  2020-06-07
  • 网络出版日期:  2020-07-17
  • 刊出日期:  2020-12-08

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