多用户译码转发中继网络功率分配以及安全波束成形设计的制作方法

本发明涉及在多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)中，考虑物理层安全的前提下的安全波束成形和功率分配方案的联合设计，确切地说，在两种目标下，通过波束成形设计来保证安全用户发送信息的安全以及非安全用户的服务质量(QoS)，属于无线通信
技术领域：
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背景技术：
：随着智能手机，平板电脑以及端到端通信的飞速发展，对于无线无缝覆盖网络的需求不断提高，特别是高的移动数据速率和可靠的安全特性。为了有效提高无线网络的频谱及功率效率，不同网络节点的部署密度需得到提高。因此，协作网络得到了广泛关注，并且被认为是提高网络容量及网络覆盖面积最有前景的技术。其中多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)这一种实际场景，也引起了广泛关注，该网络常见于很多传感器网络中。在该网络中，多个收发对通过一个译码转发(DF)中继进行通信，这意味着网络中存在干扰的问题，所以选择合适的干扰管理对于网络性能有着十分重要的意义。并且，在MP-DFRN中，发送端的并发传输可能会产生强烈的互干扰，影响DF中继的译码，所以功率分配也是十分必要的。同样值得注意的是，MP-DFRN也由于无线网络的开放性而存在较为严重的窃听风险。无线通信安全一般都是考虑高层基于密钥的方法。这种方法是基于窃听者的计算能力不足以破解密钥。然而，随着硬件设备计算能力的飞速发展，这种基于密钥的方法无法保证完美的安全。物理层安全作为一种新兴的保证安全的方法，它不需要考虑窃听者的计算能力。物理层安全的基本思想是利用无线信道随机性，使得窃听者处对信号的模糊度最大化。现有的有关物理层安全的研究对于MP-DFRN还为曾涉足。由于MP-DFRN中存在并发传输，所以干扰问题十分棘手，但是从另一方面来看，这些干扰也可以被利用起来提高安全性能。因此，MP-DFRN中的干扰可以通过联合设计波束成形以及功率分配方案来利用，以此提高安全用户的安全容量，并保证其他非安全用户的服务质量(QoS)。技术实现要素：有鉴于此，本发明主要提出了一种波束成形和功率分配的联合设计算法，该算法可以在发送功率给定时最大化安全容量，也适用于安全阈值给定时最小化系统发送功率。我们考虑单向MP-DFRN中，包括多个发送端以及他们的目标接收端，这些收发对通过一个译码转发中继来实现通信。其中一个用户对的信息是保密信息，并且存在一个窃听者企图窃听中继转发出的信息。其特征在于：当目标为最大化安全速率时，原始问题可表述为s.t.Rk≥12log2(1+rk),k≠k*,]]>Σk=1K(||wk||2+Pk)≤P‾,Pk≥0,]]>Sk，Dk表示第k对收发对中的发端和收端，k*表示保密用户对,R表示中继，表示从Sk到Dk的信道容量，RRE表示中继到窃听者间的信道容量。wk，Pk分别表示波束成形和发射功率，rk表示非安全用户对的QoS约束阈值。所述方法包括下列两个步骤：(1)初始化阶段：由于存在用户间干扰，导致安全速率这个目标函数为非凸函数，以及非安全用户的QoS约束都为难以处理非凸约束。我们通过引入松弛变量，将目标函数转化为线性函数。然后，通过渐近凸逼近(SCA)以及一阶泰勒展开(FOTE)的方式，将非凸的约束条件逐一转变为凸约束。(11)将目标函数通过松弛变量转变为一个线性函数t，而非凸约束可以通过SCA以及FOTE的数学方法转变为一系列凸约束。如下：s.t.Σk=1K(||wk||2+Pk)≤P‾,Pk≥0,]]>p-q≥t，p，q≥0，Σi≠k*,i=1K|hRDkHwi|2+σDk*2≤v1,v1≥0,]]>Re{2(w~k*(n))HHRDk*wk*v~1(n)}-(2(w~k*(n))HHRDk*w~k*(n)(v~1(n))2)v1≥22p-1,]]>|gHwk*|2≤av2,v2≥0,a≥0,]]>Σi≠k*,i=1K|gHwi|2+σE2≥v2,a≤22q-1,]]>Σi≠k*,i=1K[Re{2(w~i(n))HGwi}-(w~i(n))HG(w~i(n))]+σE2≥v2,]]>a≤22q~(n)+1+22q~(n)(q-q~(n))ln2-1,]]>22t-1≤b，b≥0，c≥0，Pk*αk*2≥gλ0(b,c),λ0=c~(n)b~(n),]]>Pk||hSkR||4≥rk(Σi≠k*,i=1KPi|hSkRHhSiR|2+σR2hSkRHhSkR),]]>ηk≥Σi≠k*,i=1K|hRDkHwi|2+σDk2,]]>Re{2(w~k(n))HHRDkwkη~k(n)}-(2(w~k(n))HHRDkw~k(n)(η~k(n))2)ηk≥rk,]]>其中表示R到Dk之间的信道状态信息，g表示R到窃听者间新到状态信息，令G＝ggH，根据SCA的思想，上述凸问题中，v1，v2，p，q，t，a，b，ηk是引入的松驰变量。(12)由于涉及到泰勒展开的问题，我们需要使用迭代求解，表示第n次求得的解。起始点需要提前选取一些可行点。这里我们采用随机生成起始点，选取其中的可行点。(2)迭代阶段：将起始点代入上述所转化的凸问题中求解，然后将所求得的解再次代入问题中继续求解，直至安全速率值收敛。由于每次迭代目标函数不减，且由于总功率受限，所以本方法一定会收敛到一个局部最优解。(21)将求解的各节点功率以及波束成形向量代入问题中作为泰勒展开点继续求解，更新迭代次数。(22)判断本方法是否已经收敛，若还未收敛，继续求解优化问题。(23)若已收敛，结束算法，当前的最优解即为我们的最终方案。算法总结如下：相同的算法和优化框架也可以适用于MP-DFRN的另一种目标：当安全用户的安全容量阈值以及非安全用户的QoS阈值给定，最小化所需的系统发送能量。本发明基于渐近凸逼近(SCA)以及一阶泰勒展开(FOTE)的优化方法是一种适用于多用户转发译码中继网络(MP-DFRN)中最大化安全用户安全容量以及最小化发送功率的方法。其优点是：通过凸优化的方法将难以处理的原始问题转化为可以处理的凸问题，然后基于迭代的算法将该凸问题有效地解决，就可以求得波束成形和功率分配方案的局部最优解。附图说明图1是本发明的应用场景：多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)系统示意图。图2是本发明实施例中，安全用户最大安全速率和系统总发送能量约束关系的仿真图。图3是本发明实施例中，算法收敛性的验证仿真。图4是本发明实例中，系统最小发送能量和安全用户安全阈值之间关系的仿真图。图5是本发明中，对算法流程的总结。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。(1)参见图1，在MP-DFRN的系统模型中，包括一个译码转发(DF)中继，一个安全用户对，无安全通信需求的非安全用户对，以及一个外部窃听者。我们的设计目标是保证未被窃听的非安全用户的QoS，最大化安全用户的安全容量。原始的优化问题是一个难以求得最优解的非凸问题，因此，我们提出了一种迭代算法，通过将原始问题转化为凸问题来求解。(2)参见图2，在MP-DFRN模型中，本发明的方法可以有效的求解，并且可以看到我们的方法优于固定功率分配以及最大比发送(MRT)方案。可以看到随着发送功率的增长，我们方案所求得的安全速率也随之增长。(3)由图3可以看出，我们的算法是逐步递增并最终收敛的，且收敛速度较为理想，大约迭代5次即可稳定。(4)参见图4，我们的优化算法亦可应用在目标函数为最小化发送能量，约束为安全用户的安全容量阈值以及非安全用户的QoS约束。可以看到随着安全容量阈值的增长，系统所需的最小发送能量也在增长。(5)图5总结了整个算法的流程。以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。当前第1页1 2 3