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

技术特征：

1.一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。

2.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述权利要求1中步骤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。

3.根据权利要求2所述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，其特征在于：步骤3所述频段分配算法具体实施步骤如下；

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，

$A_{d,c}=\left(\right(h_c-\sqrt{\frac{h_c({\mathrm{\α}}_c-1)(h_c-h_{c,d}^I)}{{\mathrm{\α}}_c}})\frac{1}{h_{c,d}^I}-1)\frac{1}{h_{c,d}^I},U_{d,c}=\max \{0,(\frac{h_c}{{\mathrm{\α}}_c{h}_{c,d}^I}-1)\frac{1}{h_{d,c}^I}\};$

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，

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_{d,c}={\log }_2(1+\frac{h_{d,c}\[h_c-{\mathrm{\α}}_c{h}_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]p_{d,c}}{h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})})-\\ \frac{h_{d,c}{\mathrm{\α}}_c{\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}^2+h_{d,c}{h}_c(1-{\mathrm{\α}}_c)(h_c-h_{c,d}^I)}{(1+{\mathrm{\α}}_c{h}_{d,c}{p}_{d,c}){\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}^2+h_{d,c}{h}_c{p}_{d,c}(1-{\mathrm{\α}}_c)\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}\frac{p_{d,c}}{\ln 2}\end{array};$

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；

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，

$\begin{array}{c}E\left(p_{d,c}\right)=\frac{h_{d,c}{\mathrm{\α}}_c{\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}^2+h_{d,c}{h}_c(1-{\mathrm{\α}}_c)(h_c-h_{c,d}^I)}{\ln 2(1+{\mathrm{\α}}_c{h}_{d,c}{p}_{d,c}){\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}^2+h_{d,c}{h}_c{p}_{d,c}(1-{\mathrm{\α}}_c)\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}-\\ {\mathrm{\λ}}_d-\mathrm{\μ}\frac{h_c{h}_{d,c}^I({\mathrm{\α}}_c-1)}{{\[h_c-h_{c,d}^I(1+h_{d,c}^I{p}_{d,c})\]}^2}\end{array};$

步骤b：按如下公式更新λ_j，其中[z]⁺＝max(z,0)，

${\mathrm{\λ}}_{d,j+1}={\[{\mathrm{\λ}}_{d,j}-\mathrm{\θ}(P_d-{\mathrm{\Σ}}_{c=1}^C{w}_{d,c}{p}_{d,c}^{*})\]}^{+},\∀d$

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。