一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法与流程

本发明涉及移动通信无线资源调度算法设计领域，特别是计及一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法。

背景技术：

随着人们对各类移动互联网业务如网上购物、手机预订、在线游戏、社交软件等的需求持续快速增长，移动通信网络愈发智能化，智能手机终端的功能也日益强大。未来移动网络演进版本中，允许运营商授权本地通信终端建立直接通信链路传输本地业务数据，从而缓解核心网及以上的网络负担，降低时延以支持实时性业务，降低终端发送功率，延长手机寿命。从保障通信质量，将干扰抑制在可控范围内的角度出发，设备间通信适宜在现在移动通信网络背景下进行，基站及核心网可以控制设备间通信的连接建立、撤销，并通过合理的资源调配技术来达到抑制干扰，提高本地通信频率利用率，提升网络整体吞吐量的目的。

目前，针对设备间通信资源调配算法的研究已取得一定进展。例如文献C.-H.Yu,K.Doppler,C.B.Ribeiro,and O.Tirkkonen,“Resource sharing optimization for device-to-device communication underlaying cellular networks”,IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.10,no.8,pp.2752-2763,Aug.2011中在单个设备对与单个蜂窝网络用户场景下，提出了一种功率控制方法，可以最大化设备对与蜂窝终端的整体通信速率，同时保证蜂窝终端QoS不变。文献H.Min,J.Lee,S.Park,and D.Hong,“Capacity enhancement using an interference limited area for device-to-device uplink underlaying cellular networks”,IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.10,no.12,pp.3995-4000,Dec.2011中则通过设置在每个频段资源上设置允许的设备对最大干扰电平值计算得出干扰区域，并避免将干扰区域内蜂窝终端的频段分配给该设备对，从而避免了资源复用带来的恶劣同频干扰。文献D.Feng,L.Lu,Y.Yuan-Wu,G.Y.Li,G.Feng,and S.Li,“Device-to-device communications underlaying cellular networks”,IEEE Trans.Commun.,vol.61,no.8,pp.3541--3551,Aug.2013中则针对设备间通信资源复用问题提出了一种基于图论优化算法，通过该算法可以有效地为设备对分配频段，并降低设备对与蜂窝终端之间的互干扰。

然而，目前大多数研究工作仅仅是从提升频谱利用效率、降低同频干扰的角度设计资源复用共享方法。由于无线信道的广播特性，基站向蜂窝终端广播的信号存在被恶意设备对接收的风险，从而造成对蜂窝用户信息安全的威胁。如何通过有效地设计资源共享方法来防止上述物理层信息泄露，以及降低干扰、提高频率利用率正成为设备间通信系统设计领域的研究热点之一。相关研究工作还处于起步阶段，例如文献J.Yue,C.Ma,H.Yu,Z.Yang,and X.Gan,“Secrecy-based channel assignment for device-to-device communication:An auction approach”,in Proc.IEEE WCSP 2013,Oct.2013,pp.1-6中则考虑将设备对的干扰信号作为窃听者获取蜂窝用户私密信息的有益干扰源，并提出一种功率控制算法来达到抑制窃听的目的。这种针对外部窃听者的网络设计场景存在一定的局限性，它并未考虑作为同频传输的设备对实际上可能存在窃取同频段上蜂窝用户数据的风险。因此，本专利公开的一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法，通过合理的分配频段资源，控制设备对与基站的发送功率，可以有效地保证蜂窝终端以预设的安全通信速率传递私密消息，同时最大化所有设备对本地频谱的利用率。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法，通过合理的分配频段资源，并控制设备对与基站的发送功率，最大化所有设备对本地频谱的利用率的同时，保证蜂窝终端可以按照预设的安全通信速率传递私密消息，为达此目的，本发明提供一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

1)基站覆盖范围内有多个下行蜂窝终端和多个设备对，用大写字母C和D分别表示蜂窝终端和设备对的总数量，并用小写字母c＝1,2,...,C与d＝1,2,...,D标识特定的某一个蜂窝终端和设备对；单载波通信系统中，蜂窝终端以频分复用方式正交复用频率资源，因此，C和c同样可以用于标识频段总数量以及某个特定的频段；设备对通过控制信道向基站发出建立本地连接请求，所有设备对之间采用；基站和各个设备对总发送功率分别记为P_BS和P_d,d＝1,2,...,D；p_c和p_d,c,d＝1,2,...,D分别为基站和第d个设备对在频段c上的发送功率变量；

2)将蜂窝终端在频段c上的归一化传输信道系数记为h_c；将第d个设备对在第c个频段上的归一化传输信道系数记为h_d,c；将第d个设备对第c个蜂窝终端的归一化干扰信道系数记为将第c个蜂窝终端对第d个设备对的归一化干扰信道系数记为采用离散二元变量w_d,c∈{0,1}标识频段分配结果，当第d个设备对与第c个蜂窝终端共享频段时，w_d,c＝1，否则w_d,c＝0；

3)基站通过上下行信道互易性估计出基站到蜂窝终端的下行信道系数，通过控制信道反馈获取了基站到设备对、设备对到各个蜂窝终端的干扰信道以及设备对之间的传输信道系数；接着，基站通过频段分配与功率控制算法计算得到基站在多个蜂窝终端频段上的功率控制结果用于下行广播通信，同时还获得了设备对频段分配以及发送功率控制结果，并将其反馈至设备对用以实现本地通信，在最大化整个基站覆盖范围所有设备对的频率利用效率总和，同时保证所有蜂窝终端与基站之间维持一个最低安全通信速率R_c。

本发明的进一步改进，所述步骤3中基站利用频段分配与功率控制算法可获得所有蜂窝终端与设备对之间资源共享方案，该算法依次由频段分配算法与功率控制算法构成，本发明频段分配与功率控制算法依次由频段分配算法与功率控制算法构成。

本发明的进一步改进，步骤3中频段分配算法如下；

频段分配算法：由于设备对获取基站向蜂窝终端广播的下行信号，根据安全速率的定义，窃听信道质量若好于传输信道，则无法完成安全通信，因此为避免这样的情况出现，基站会禁止其附近的设备对复用远端的蜂窝终端频段资源。首先令表示各个设备对可复用的频段集合，表示可复用频段c的设备对集合，其中频段分配算法具体步骤如下：

步骤1：按照如下方法为每个设备对计算他们在所有频段上的发送功率：

其中，

步骤2：从第1个频段至第C个频段循环执行以下步骤：

若w_d,c＝0,d≠d^*,1≤d≤D；

若w_d,c＝0,1≤d≤D；其中，

在获得频段分配结果后，通过如下算法计算得到设备对与基站在各频段上的最优发送功率，根据频段分配算法得到所有设备对可复用的频段集合1≤d≤D,，且设备对之间采用正交方式与蜂窝终端共享频段，即且d₁≠d₂。

步骤3)所述功率控制算法具体实施方法如下。

功率控制算法：令令j和n分别代表循环计数变量，j＝1，n＝1；令非负向量λ_j＝[λ_1,j,λ_2,j,...,λ_d,j,...,λ_D,j]^T≥0和非负标量μ_n≥0分别为各个设备对与基站功率约束条件的拉格朗日乘子，采用二分法获得各个设备对在频段集合Ω_d,1≤d≤D上的功率分配结果，选取一个足够小的正数ε作为二分搜索误差精度，θ为搜索步长，令μ_LB＝0，而μ^UB为一个足够大的正数，令μ₁＝(μ^UB+μ_LB)/2，λ₁＝[λ_1,0,λ_2,0,...,λ_d,0,...,λ_D,0]^T＝0，0为全零列向量，λ₁＝[λ_1,1,λ_2,1,...,λ_d,1,...,λ_D,1]^T＝τ·1，τ为一个较大的正数，1为元素都为1的全1列向量；二分法由两层循环嵌套组成，搜索算法具体如下：

当|μ^UB-μ_LB|＞ε时，重复执行以下步骤1至步骤3：

步骤1：重复执行以下步骤a至步骤c，直到

步骤a：将λ_j和μ_n代入下式计算得到

其中，

步骤b：按如下公式更新λ_j，其中[z]⁺＝max(z,0)，

步骤c：j＝j+1；

步骤2：计算

步骤3：若P_t＜P_sur，μ^UB＝μ_n，否则，μ_LB＝μ_n；

步骤4：更新μ_n+1＝(μ_LB+μ^UB)/2,n＝n+1。

本发明详细算法如上。

本发明一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法，其有益效果如下；

1)本发明方法同时适用于多载波通信系统和单载波通信系统，应用范围更加广泛；

2)本发明方法是针对多个蜂窝终端与多个设备对之间的资源共享算法，因此更加具有一般性；

3)本发明方法考虑了引入设备间通信给原蜂窝网络带来的信息安全隐患，并通过频段分配及功率控制保证了蜂窝终端的最低安全通信速率。

附图说明

图1是本发明提出的一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法的系统框图。

图2是本发明算法性能上界、本发明方法、随机频段分配方法仿真性能随蜂窝终端安全通信速率的变化曲线，其中R_c从9bit/s/Hz增加至15bit/s/Hz。

图3是本发明算法性能上界、本发明方法、随机频段分配方法仿真性能随设备对数量变化的曲线，其中设备对数量从5增加至30。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种计及蜂窝网络物理层安全的设备间通信资源复用方法，通过合理的分配频段资源，并控制设备对与基站的发送功率，最大化所有设备对本地频谱的利用率的同时，保证蜂窝终端可以按照预设的安全通信速率传递私密消息。

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下：

1)基站覆盖范围内有多个下行蜂窝终端和多个设备对，用大写字母C和D分别表示蜂窝终端和设备对的总数量，并用小写字母c＝1,2,...,C与d＝1,2,...,D标识特定的某一个蜂窝终端和设备对；单载波通信系统中，蜂窝终端以频分复用方式正交复用频率资源，因此，C和c同样可以用于标识频段总数量以及某个特定的频段；设备对通过控制信道向基站发出建立本地连接请求，所有设备对之间采用；基站和各个设备对总发送功率分别记为P_BS和P_d,d＝1,2,...,D；p_c和p_d,c,d＝1,2,...,D分别为基站和第d个设备对在频段c上的发送功率变量；

2)将蜂窝终端在频段c上的归一化传输信道系数记为h_c；将第d个设备对在第c个频段上的归一化传输信道系数记为h_d,c；将第d个设备对第c个蜂窝终端的归一化干扰信道系数记为将第c个蜂窝终端对第d个设备对的归一化干扰信道系数记为采用离散二元变量w_d,c∈{0,1}标识频段分配结果，当第d个设备对与第c个蜂窝终端共享频段时，w_d,c＝1，否则w_d,c＝0；

3)基站通过上下行信道互易性估计出基站到蜂窝终端的下行信道系数，通过控制信道反馈获取了基站到设备对、设备对到各个蜂窝终端的干扰信道以及设备对之间的传输信道系数；接着，基站通过频段分配与功率控制算法计算得到基站在多个蜂窝终端频段上的功率控制结果用于下行广播通信，同时还获得了设备对频段分配以及发送功率控制结果，并将其反馈至设备对用以实现本地通信，在最大化整个基站覆盖范围所有设备对的频率利用效率总和，同时保证所有蜂窝终端与基站之间维持一个最低安全通信速率R_c。

步骤3)中基站利用频段分配与功率控制算法可获得所有蜂窝终端与设备对之间资源共享方案，该算法依次由频段分配算法与功率控制算法构成。

(1)频段分配算法

由于设备对获取基站向蜂窝终端广播的下行信号，根据安全速率的定义，窃听信道质量若好于传输信道，则无法完成安全通信，因此为避免这样的情况出现，基站会禁止其附近的设备对复用远端的蜂窝终端频段资源。首先令表示各个设备对可复用的频段集合，表示可复用频段c的设备对集合，其中频段分配算法具体步骤如下：

步骤1：按照如下方法为每个设备对计算他们在所有频段上的发送功率：

其中，

步骤2：从第1个频段至第C个频段循环执行以下步骤：

若w_d,c＝0,d≠d^*,1≤d≤D；

若w_d,c＝0,1≤d≤D；其中，

在获得频段分配结果后，通过如下算法计算得到设备对与基站在各频段上的最优发送功率，根据频段分配算法得到所有设备对可复用的频段集合1≤d≤D,，且设备对之间采用正交方式与蜂窝终端共享频段，即且d₁≠d₂。

(2)功率控制算法

令令j和n分别代表循环计数变量，j＝1，n＝1；令非负向量λ_j＝[λ_1,j,λ_2,j,...,λ_d,j,...,λ_D,j]^T≥0和非负标量μ_n≥0分别为各个设备对与基站功率约束条件的拉格朗日乘子，采用二分法获得各个设备对在频段集合Ω_d,1≤d≤D上的功率分配结果，选取一个足够小的正数ε作为二分搜索误差精度，θ为搜索步长，令μ_LB＝0，而μ^UB为一个足够大的正数，令μ₁＝(μ^UB+μ_LB)/2，λ₁＝[λ_1,0,λ_2,0,...,λ_d,0,...,λ_D,0]^T＝0，0为全零列向量，λ₁＝[λ_1,1,λ_2,1,...,λ_d,1,...,λ_D,1]^T＝τ·1，τ为一个较大的正数，1为元素都为1的全1列向量；二分法由两层循环嵌套组成，搜索算法具体如下：

当|μ^UB-μ_LB|＞ε时，重复执行以下步骤1至步骤3：

步骤1：重复执行以下步骤a至步骤c，直到

步骤a：将λ_j和μ_n代入下式计算得到

其中，

步骤b：按如下公式更新λ_j，其中[z]⁺＝max(z,0)，

步骤c：j＝j+1；

步骤2：计算

步骤3：若P_t＜P_sur，μ^UB＝μ_n，否则，μ_LB＝μ_n；

步骤4：更新μ_n+1＝(μ_LB+μ^UB)/2,n＝n+1。

图2是本发明算法性能上界、本发明方法、随机频段分配方法仿真性能随蜂窝终端安全通信速率的变化曲线，其中R_c从9bit/s/Hz增加至15bit/s/Hz；共有30个蜂窝终端，30个设备对；且基站与各个设备对的发送功率分别为43dBm，10dBm；设备对中发送端与接收端间距20m。

图3是本发明算法性能上界、本发明方法、随机频段分配方法仿真性能随设备对数量变化的曲线，其中设备对数量从5增加至30；有50个蜂窝终端，各个蜂窝终端安全通信速率为12bit/s/Hz；且基站与各个设备对的发送功率分别为43dBm，10dBm；设备对中发送端与接收端间距20m。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。