一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法与流程

本发明涉及一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法，属于移动通信无线资源调度策略设计及物理层安全领域。

背景技术：

设备间通信（Device-to-device Communications, D2D）是一种允许本地距离较近的终端之间直接进行通信的新型技术。在现存的传统无线通信系统基站控制下，通过复用小区正处于通信状态的CUE的资源，可以极大地增加小区内整体的频谱效率，同时降低直接通信的DUE终端发射功率，这在一定程度上解决了移动通信系统无线频谱资源匮乏的难题。与传统的WiFi和蓝牙等技术相比较，设备间通信设备工作在许可频段，这就保证通信的可靠性，提升用户的服务质量，同时还可以采用灵活的资源分配策略达到有效抑制同频干扰的目的。尽管设备间通信具备上述优点，但是这种在同频段同时传输CU和DU信号会产生以下两种问题。

首先，允许DU复用CU的频段资源会对CU的信号产生不可避免的干扰，甚至有可能由于不恰当的复用CUE频段资源，导致了小区内整体的容量的下降，严重干扰了原有CUE通信质量。

其次，运营商出于设备间通信的技术优势和自身盈利考虑，会逐步采用上述频段重叠的方式在原有移动通信系统之下部署设备间通信，但是却带来了一个十分严重的物理层安全问题：一些恶意的DU由于获得了接入某些下行频段的权限并获取了该频段上的物理层参数，这就为其窃听普通的CU私有信息提供了便利，而在考虑了物理层安全之后的频段分配与功率控制问题亟需解决。

本发明公开了一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法，通过特定设计的频段分配与功率控制算法，不仅保证了CUE下行通信速率，同时最大化所有DU的频率利用率之和，最重要的是从物理层角度彻底杜绝了DU复用频段资源带来的信息安全威胁。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法，实现了最大化所有DU频谱利用率之和的同时保证所有CU与基站之间的下行链路安全通信速率不低于一个预设值。

本发明采用的技术方案为：一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法，该方法按以下步骤进行。

1) 基站将下行信号广播给C个CU，同时有D个DU发出建立直接通信请求，分别用下与标识；基站到第c个CU的下行安全通信速率不低于。

2) 基站广播下行信号的总功率任一DU复用多个下行频段可用的总功率分别记为与；采用离散二元变量表示第d个DU复用第c个CU的下行频段指示标量，若第d个DU复用第c个CU的下行频段，则，否则，；基站到将第c个CU的归一化信道系数记为；当第d个DU共享第c个CU的下行频段时()，将第d个DU发送端到接收端的归一化信道系数记为，将第d个DU发送端到第c个CU的归一化信道系数记为，将基站到第d个DU接收端的归一化信道系数记为。

3)所有DU向基站提出建立本地连接请求，并请求基站将CU的下行频段分配给DU用于本地通信，并将相应的物理层参数告知DU，且DU之间采用正交方式复用这些下行频段；由于DU获得了接入下行频段的权限及相应参数，那么由于无线信号的广播特性，DU完全可以接收并窃取到已复用频段上合法CU的私有数据，这就从物理层角度上给CU的安全特性带来很大威胁；基站根据2）中所述获得的四类信道信息，充分考虑到DU复用频段资源后对CU的物理层安全威胁，计算出符合安全原则的下行频段分配结果，同时还包括CU和DU在共享频段上的最优发送功率，其中，与分别为CU和DU在下行频段上的发送功率变量；采用本专利公开的计及物理层安全的设备间通信资源共享方法不仅保证了CUE下行通信速率，同时最大化所有DU的频率利用率之和，最重要的是从物理层角度彻底杜绝了DU复用频段资源带来的信息安全威胁。

进一步，本发明专利所述步骤3)中从物理层角度杜绝DU复用频段资源带来的信息安全威胁问题，采用基站利用联合频段资源分配与功率控制算法进行处理，从而获得所有CU与DU之间的下行频段的共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的计算方法如下。

步骤1：初始化一系列中间变量为，；引入n为循环计数变量并初始化n=1；引入一个极小的正数，用于判定循环是否结束。

步骤2：当时，继续执行步骤3-7，否则循环结束并输出最优解。

步骤3：给定调用下述联合频段分配与功率控制算法，计算获得最优解（）；联合频段分配与功率控制算法执行步骤如下：

引入循环计数变量j并初始化为j=1，初始化，其中j为循环计数变量，，为第d个DU的功率约束条件拉格朗日乘子，为行向量，它的元素都为一个很小的正数；为固定步长。

步骤a：重复执行下列步骤b-步骤d，直到对所有的DU有。

步骤b：计算，其中

将获得的代入到，表达式如下所示：

然后将第c个CU的下行频段分配给拥有最大的DU，即。

步骤c：更新变量为：

步骤d：j=j+1，跳至步骤a继续执行该循环。

步骤4：按照下式更新中间变量

。

步骤5：若 则 否则，。

步骤6：计算 ，，并跳至步骤2继续执行循环。

步骤7：根据计算获得的计算可得，最终输出结果

有益效果

1）本发明方法从物理层安全的角度解决了移动通信系统下部署设备间通信的安全威胁。

2）本发明方法是针对多个CU与多个DU对之间资源共享设计的联合频段分配与功率控制算法，因此适用范围更加广泛。

3）本发明方法同时兼顾了传统CU的私密性和有效性，保证其通信质量不会因为DU的复用导致过多下降或者被窃听，同时本发明还最大化了DU的频谱利用率之和，尽可能提高了系统总体性能。

附图说明

图1 是本发明提出的一种计及物理层安全的设备间通信资源共享方法系统框图。

图2 是本发明方法、性能上界、随机频段分配方法随CU最低安全通信速率的性能比较曲线；共有50个CU和30个DU，且基站和DU最大发送功率分别为46dBm和23dBm。

图3 是本发明方法、性能上界、随机频段分配方法随CU数的性能比较曲线，下行最低安全通信速率为13bits/s/Hz；共有30个DU，且基站和DU最大发送功率分别为46dBm和23dBm。

图4是本发明方法、性能上界、随机频段分配方法随DU数的性能比较曲线，下行最低安全通信速率为10bits/s/Hz；共有50个CU，且基站和DU最大发送功率分别为46dBm和23dBm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下。

1) 基站将下行信号广播给C个CU，同时有D个DU发出建立直接通信请求，分别用下与标识；基站到第c个CU的下行安全通信速率不低于。

2) 基站广播下行信号的总功率任一DU复用多个下行频段可用的总功率分别记为与；采用离散二元变量表示第d个DU复用第c个CU的下行频段指示标量，若第d个DU复用第c个CU的下行频段，则，否则，；基站到将第c个CU的归一化信道系数记为；当第d个DU共享第c个CU的下行频段时()，将第d个DU发送端到接收端的归一化信道系数记为，将第d个DU发送端到第c个CU的归一化信道系数记为，将基站到第d个DU接收端的归一化信道系数记为。

3）所有DU向基站提出建立本地连接请求，并请求基站将CU的下行频段分配给DU用于本地通信，并将相应的物理层参数告知DU，且DU之间采用正交方式复用这些下行频段；由于DU获得了接入下行频段的权限及相应参数，那么由于无线信号的广播特性，DU完全可以接收并窃取到已复用频段上合法CU的私有数据，这就从物理层角度上给CU的安全特性带来很大威胁；基站根据2）中所述获得的四类信道信息，充分考虑到DU复用频段资源后对CU的物理层安全威胁，计算出符合安全原则的下行频段分配结果，同时还包括CU和DU在共享频段上的最优发送功率，其中，与分别为CU和DU在下行频段上的发送功率变量；采用本专利公开的计及物理层安全的设备间通信资源共享方法不仅保证了CUE下行通信速率，同时最大化所有DU的频率利用率之和，最重要的是从物理层角度彻底杜绝了DU复用频段资源带来的信息安全威胁。

所述步骤3)中从物理层角度杜绝DU复用频段资源带来的信息安全威胁问题，采用基站利用联合频段资源分配与功率控制算法进行处理，从而获得所有CU与DU之间的下行频段的共享方案以及相应的功率控制结果。该算法的计算方法如下。

步骤1：初始化一系列中间变量为，；引入n为循环计数变量并初始化n=1；引入一个极小的正数，用于判定循环是否结束。

步骤2：当时，继续执行步骤3-7，否则循环结束并输出最优解。

步骤3：给定调用下述联合频段分配与功率控制算法，计算获得最优解（）；联合频段分配与功率控制算法执行步骤如下。

引入循环计数变量j并初始化为j=1，初始化，其中j为循环计数变量，，为第d个DU的功率约束条件拉格朗日乘子，为行向量，它的元素都为一个很小的正数；为固定步长。

步骤a：重复执行下列步骤b-步骤d，直到对所有的DU有。

步骤b：计算，

其中

将获得的代入到，，表达式如下所示

然后将第c个CU的下行频段分配给拥有最大的DU，即。

步骤c：更新变量为：

。

步骤d：j=j+1，跳至步骤a继续执行该循环。

步骤4：按照下式更新中间变量

。

步骤5：若 则 否则，。

步骤6：计算 ，，并跳至步骤2继续执行循环。

步骤7：根据计算获得的计算可得，最终输出结果。