技术领域
[0001] 本
发明涉及无线通信物理层领域，尤其涉及一种基于Markov(
马尔科夫)的协作通信系统的安全稳定性评价方法，为保障物理层安全性能提供依据。
背景技术
[0002] 由于无线通信媒介的开放性，非授权的窃听用户容易窃取到源
节点发送给目的节点的数据信息。不同于密钥学，无线物理层安全利用无线信道的时变、多径等特性来防止窃听者解码源节点信息，从而实现安全通信。但当源节点到目的节点信道条件差于窃听信道时，无线通信物理层安全的实现会受到该信道条件的制约。协作通信可以克服该信道条件的制约，以实现物理层安全传输。然而由于网络中节点行为的多样性将导致安全性不稳定，本发明提出评价安全稳定性的方法。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种基于Markov的协作通信系统的安全稳定性评价方法，本发明结合传统的可靠性理论中的平均故障时间(MTTF)来评价系统安全的稳定性，为物理层安全性能评价提供新的评价指标和方法，详见下文描述：
[0004] 一种基于Markov的协作通信系统的安全稳定性评价方法，所述方法包括以下步骤：
[0005] (1)基于Markov链建立反映协作通信系统状态的变化转移图；
[0006] (2)根据变化转移图计算瞬时和稳态的状态概率；
[0007] (3)通过状态概率获取协作通信系统的稳态概率集合，根据稳态概率集合获取协作通信系统安全的稳定时间参数。
[0008] 其中，所述变化转移图具体为：所述协作通信系统动态变化的随机过程采用离散状态的连续时间的马尔科夫链，设协作通信系统有N个状态，表示为S＝{S1，…，SN}，协作通信系统处于某状态的概率为X(t)＝{X1(t),…Xi(t)….XN(t)}，其中，Xi(t)表示时间为t时协作通信系统处于状态i的概率的大小；
[0009] 状态之间的转换关系描述为N×N状态转移速率矩阵G，
[0010]
[0011] 其中，Prij表示状态i与状态j在dt时间内的转移概率，元素Gij∈G表示状态i与状态j的转移速率。
[0012] 其中，所述稳定时间参数具体为：
[0013]
[0014] 其中，G1为K×K的矩阵，hK为个数为k的列向量，hK＝[1,…,1]-1，Xsafe为安全工作状态的稳态概率集合，Xsafe(0)＝Xsafe/XsafehK。
[0015] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在无线通信物理层上，提出基于物理层安全性状态的协作通信系统的安全稳定性评价方法。为了保障物理层安全性能提供依据。本发明基于随机建模技术，将网络节点行为的网络安全性的影响表征为Markov链，状态之间的转移关系用转移速率矩阵描述。通过计算转移速率矩阵，可以最终求得安全稳定性时间，为安全稳定性评价提供方法和依据。本方法保证了物理层的安全传输，提高了稳定性。
附图说明
[0016] 图1为协作通信系统状态的变化转移图。
[0017] 图2为一种基于Markov的协作通信系统的安全稳定性评价方法的
流程图。
具体实施方式
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0019] 为了提高物理层的安全传输，提高稳定性，本发明
实施例提供了一种基于Markov的协作通信系统的安全稳定性评价方法，参见图1和图2，详见下文描述：
[0020] 101：基于Markov链建立反映协作通信系统状态的变化转移图；
[0021] 其中，描述协作通信系统动态变化的随机过程可以采用离散状态的连续时间的马尔科夫链，设协作通信系统有N个状态，表示为S＝{S1，…，SN}。协作通信系统处于某状态的概率为X(t)＝{X1(t),…Xi(t)….XN(t)}(其中，Xi(t)表示时间为t时协作通信系统处于状态i的概率的大小)。
[0022] 状态之间的转换关系可以描述成N×N状态转移速率矩阵G，表示为：
[0023]
[0024] 其中，Prij表示状态i与状态j在dt时间内的转移概率，元素Gij∈G表示模型中状态i与状态j的转移速率，并且是由非合作行为的概率与强度所造成的。如图1所示为状态之间的转换关系。图中H，F，S，SM，M代表不同的协作通信系统安全、失效、中继自私、中继自私或恶意(混合)、中继恶意等行为下的状态，状态之间的转换关系由相应的转移概率描述，如：GH表示从S到H的转移概率(即从中继自私到安全状态的转移概率)，GSF表示从S到F的转移概率(即从中继自私到失效状态的转移概率)，以此类推，本发明实施例对此不做赘述。
[0025] 102：根据变化转移图计算瞬时和稳态的状态概率；
[0026] 若协作通信系统的初始状态概率即X(0)已知，则瞬时状态概率X(t)根据下式可得：
[0027] X(t)＝X(0)exp(Gt)(2)
[0028] 其中exp()为指数函数。
[0029] 在协作通信系统状态稳定时某状态概率的计算方法如下:
[0030] 在时间t，连续时间的马尔科夫链在状态的概率通常都趋近于一个极限值，这个值独立于初始状态，即Xi＝limt→0Xi(t)，i＝1，…,N，可以通过计算下面的公式得到：
[0031] XG＝0 (3)
[0032] 且
[0033] ΣXi＝1 (4)
[0034] 103：通过状态概率获取协作通信系统的稳态概率集合，根据稳态概率集合获取协作通信系统安全的稳定时间参数。
[0035] 平均故障时间指协作通信系统没有故障的平均持续时间。本方法利用协作通信系统的平均故障时间(MTTF)来评价保证安全稳定性的指标。
[0036] 假定协作通信系统状态S可以分为S＝{Ssafe，Sunsafe}，其中安全工作状态的集合Ssafe＝{S1,…,SK}，故障状态集合Sunsafe＝{SK+1,…,SN}。即状态1,…,K为安全工作状态的集合，状态K+1,…,N为故障状态集合。状态S的稳态概率集合为X＝{Xsafe，Xunsafe}，其中安全工作状态的稳态概率集合Xsafe＝{X1,…,XK}，故障状态的稳态概率集合Xunsafe＝{XK+1,…,XN}。矩阵G表示为：
[0037]
[0038] 其中G1为K×K的矩阵，G2为K×(N-K)的矩阵，G3为(N-K)×K的矩阵，G4为(N-K)×(N-K)的矩阵。
[0039] 本发明定义新的协作通信系统安全的稳定时间参数(MTTU，mean time to unsafe)来衡量安全稳定性。其原理是利用可靠性理论的平均故障时间(MTTF，mean time to failure)思想来计算，用下式表示：
[0040]-1
[0041] 其中，hK为个数为k的列向量，hK＝[1,…,1] 。在时间t＝0时，协作通信系统处于任意的非故障(安全)的状态，即Xsafe(0)＝Xsafe/XsafehK。
[0042] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0043] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
