基于时延QoS与公平的多用户安全认知网络资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于时延QoS与公平的多用户安全认知网络资源分配方法，属于 无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于无线通信网络，频谱资源是珍贵且有限的资源，但随着无线通信技术的发展， 频谱资源的需求也随之加大，现有的固定频谱分配策略越来越不适用。为了提高频谱利用 率、缓解频谱需求，认知无线电概念应运而生。认知无线电网络支持不同的共存模式来实现 频谱共用，其中之一即为频谱共享模式，具体为认知无线电网络允许次要用户和主要用户 同时使用相同频段，但是次要用户发射端需要调整发射功率，以保证对主要用户接收端的 干扰功率不超过其能容忍的门限值。
[0003] 近年来，物理层安全技术随着无线通信系统物理层资源的日益丰富不断发展，认 知无线电网络的安全问题也逐渐成为关注的热点。同时，多元化的QoS(服务质量）要求与 安全问题一样，在新一代无线通信网络传输中起着至关重要的作用。对于许多对时延敏感 的多媒体应用中，统计时延QoS是一个非常有意义的QoS参数。专利CN104703191A曾于 2015年6月10日公布了一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，该发 明通过安全有效容量跨层优化实现了在满足不同时延QoS限制下，单用户安全认知无线电 网络的性能最优以及资源利用的最大化。
[0004] 最近，许多文献中报道了与用户公平性有关的工作，这些工作都致力于提高不 同网络环境中分配资源时用户之间的公平性。"JointOptimalSubcarrierandPower AllocationforWirelessCooperativeNetworksOverOFDMFadingChannels'，（无线 协作OFDM衰落网络的联合最优子载波与功率分配）【IEEETransactionsonVehicular Technology,vol. 61，no. 1，pp. 249-257,Jan. 2012.】一文中不仅讨论了在无线协作OFDM网 络中能效较高的资源分配方式，还考虑了用户之间的公平性。然而，目前查阅到的资料中， 还没有探讨过如何在频谱共享模式多用户安全认知无线电网络中兼顾时延QoS要求与用 户公平性的方法。
【发明内容】
[0005] 为了弥补现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于时延QoS与公平的多用户 安全认知网络资源分配方法。本发明在规划优化问题时，借助安全有效容量跨层联合优化 模型与a-效用函数，不但可以能效高的分配多个用户的资源，还能保证用户之间的公平 性。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于时延QoS与公平的多用户安全认知网络资源分配方法，由以下通信系统 来实现，该系统包括L个次要用户发射端、一个次要用户接收端、一个主要用户接收端、一 个窃听端，通信机制为认知无线电网络频谱共享模式，即L个次要用户发射端向次要用户 接收端发送信号，窃听端在这个过程中对信号进行窃听，同时次要用户发射端发射的信号 会对主要用户接收端造成一定的功率干扰，该通信系统采用时分多址方式，即一个时隙可 被多个用户分时段占用，对于次要用户发射端1 (1 = 1，2,…，L)，假设其在某一时隙中占用 的工作时段为ti，与该次要用户发射端对应的主要信道、次要信道和窃听信道的功率增益 分别为gl，匕和qi，其中下标1表示上述三种功率增益属于第1个次要用户发射端。假设 该通信系统的信道功率增益均服从离散时间块衰落，即gl，匕和q1在一个时隙长度T内保 持不变，但在时隙转化时经历一个联合平稳遍历衰落随机过程，该随机过程的联合概率密 度函数是连续的且已知，此外，通信过程中所有的噪声项设为零均值、单位方差的高斯白噪 声，通信系统的总频宽设为B，所有的次要用户发射端对信道状态信息都已知，信道状态信 息即一次信道实现A，A可以具体表示为A: = [gi, ? ? ?，gL,hi, ? ? ?，hL, ? ? ?，qJT，符号： =表示定义，[? ]T表示对中括号内向量的转置，由于每个时隙都被L个次要用户发射端用 非重叠且专用的时段{ti，…，共享，运算符号{?}表示大括号内元素的集合，为不失 一般性，每个时隙长度T可归一化为T= 1，则;^>/H，该方法的具体步骤如下： /=-!
[0008] 1)在不考虑时延QoS时计算多用户安全认知无线电网络的瞬时保密速率
[0009] 设次要用户发射端1在时段ti下的发射功率为pi，在窃听端存在的情况下，次要 用户发射端1与次要用户接收端之间进行保密通信，瞬时保密速率tPl)根据下式计 算：
[0010]
[0011] 该式表明，当比>(11且TiX)时，可求得非零瞬时保密速率；一般，通信系统总 频宽B为常量，对将要规划的优化问题无影响，故B可归一化为1 ;
[0012] 2)计算基于时延QoS的安全有效容量
[0013] 安全有效容量是对保密系统中物理层服务过程服务能力的一种量化描述，表示在 给定时延QoS要求的情况下可以支持的最大服务速率，其基本表达式为
[0014]
[0015] 其中Q为时延（服务质量的一项指标）QoS指数，运算符号E表不对大括号内部 分求数学期望，将（1)式所得的瞬时保密速率^%(t1>Pl)代入（2)式即可得次要用户发射 端1工作时段的安全认知无线电网络安全有效容量E_ ( 0 )，其表示式如下：
[0016]
[0017] 3)引入效用函数
[0018] 为了能使次要用户之间分配的资源更公平，我们引入了效用函数，采用的效用函 数定义如下：
[0019]
[0020] 其中，專指的是安全认知无线电网络中物理层在次要用户发射端1工作时段可支 持的平均服务速率；a是效用参数，a多〇,随着a的增加，不同次要用户发射端工作时物 理层可支持的平均服务速率差距会减小，即次要用户之间的资源分配会变得越来越公平；
[0021] 4)确定优化问题
[0022] 以效用函数为目标函数，功率、安全有效容量、时段限制条件为约束条件，构造如 下优化问题：
[0023]
[0024] 其中/7、t和p分别表示目标函数所需优化的物理层可支持的平均服务速率、次 要用户发射端工作时段和发射功率这三种优化参量，优化参量可具体写作$ =[萬，...，爲/， T= [了i，…，TJT，p= [Pi，…，pJT，而且gphjpqJl= 1，2,…，L)均是随机变量，爲 和总分别表示次要用户发射端1工作时段的平均发射功率阈值和平均干扰功率阈值，运算 符号EA表示对中括号内部分在所有信道实现下求数学期望；(5)式中的subjectto符号 及其后面的式子表示为约束式，subjectto表示为约束符号，符号maximize表示求最大值 符号，（5)式表示在约束式中对各个次要用户分别工作时的发射功率、干扰功率、安全有效 容量及时段进行限制的条件下，求解目标函数即符号maximize:后的部分的最大值；
[0025] 当0 0时，e-->1,根据泰勒近似l〇g(l+s)~s(s- 0)，（5)式中的第 三个约束式可以转化为：
[0026]
[0027] 此时，（5)式中的优化问题重新写作：
[0028]
[0029] (7)式表示在约束式中的各个次要用户分别工作时的发射功率、干扰功率、时段及 简化的安全有效容量限制条件