一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化系统和方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化系统和方法。

背景技术：

云化无线接入网(Cloud-RAN，C-RAN)是基于集中化处理，协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。其目标是为解决移动互联网快速发展给运营商所带来的多方面挑战，包括能耗、建设和运维成本以及频谱资源等。基于缓存的云化无线接入网，在各个无线基站内部设置一定容量的缓存，若用户请求的下载内容在缓存内容中，则基站直接将该文件发送给目标用户。以此减轻中心处理器回传的压力，减少网络开销。

另一方面，无线通信系统由于其通信介质的开放性，使得任何用户都可以接收到无线信道中的所有信号。恶意的无线窃听可以导致信息(如通话信息、身份信息、位置信息、数据信息以及移动站与网络控制中心之间的信令信息等)泄露，移动用户的身份信息和位置信息的泄露可以导致移动用户被无线跟踪。

在云化无线接入网系统中，如何提高合法链路的安全容量，已经成为急需解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化系统和方法，以提高系统的安全容量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化系统，其特征在于：包括中心处理器、多个基站、多个窃听用户和多个合法用户，所述中心处理器与多个基站连接，所述每个基站与多个窃听用户、多个合法用户无线通信。

一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于：所述中心处理器有一个，定义基站M个，定义窃听用户N_E个，定义合法用户N_A个，定义基站到合法用户和窃听用户的无线信道衰落矩阵分别为和定义第m个基站的波束成形向量以及全体基站的波束成形向量此时系统的安全速率可定义为：

上式和分别代表合法用户与窃听用户接收机的噪声功率；

假设第m个基站的分簇函数为s_m，当第m个基站属于服务基站集时s_m＝1，否则s_m＝0；定义第m个基站对目标文件的缓存状态c_m，当第m个基站缓存中存储有目标文件时c_m＝1，否则c_m＝0；

则定义系统的带宽代价函数为

上式中，R代表文件大小；

系统的功耗代价函数为：

C_P＝Tr(ww^H)

上式Tr()是矩阵求迹函数，Tr()里面的w^H表示矩阵向量的共轭转置；

总代价函数为：

上式η只是一个权重因子，可根据不同场景自由选取。

上述的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立基于云无线接入网的安全通信优化模型，在安全容量约束下，使得系统总代价函数最小化，即：

上式C_T代表预设的安全容量门限值；

S2、根据约束条件，对分簇函数s_m进行近似化处理，根据约束条件，可定义|| ||表示矩阵的范数，再根据零阶范数连续化近似处理，并引入松驰变量t_m，可将P₀优化问题转化为以上优化问题：

式中，其中θ为近似变量，可取任意正数，上式

S3、利用差分凸优化方法对上述优化问题进行迭代处理，首先将P₁问题转化为标准DC优化问题，即：

然后再进行迭代处理。

上述的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于，所述步骤S3迭代处理的步骤为：

a)初始化：i＝0,w⁽⁰⁾＝w_init,

b)使用标准凸优化工具解如下子问题

c)更新：i＝i+1,w⁽ⁱ⁾＝w,t_m⁽ⁱ⁾＝t_m，当达到迭代停止条件时，停止迭代；否则执行b)操作。

上述的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于：所述w_init的确定方法，可根据如下优化问题进行求解：

本发明的有益效果是：

本发明基于云无线接入网架构，在系统安全容量约束条件下，对系统总代价函数进行最小化优化。其中的总代价函数同时考虑系统带宽代价和功率代价。本发明利用差分凸优化技术求解最小化优化问题，具体方法包括：基于云无线接入网的建立安全通信优化模型；通过零阶范数近似化处理将上述优化模型转化为标准差分凸优化问题；再使用迭代化方法将上述差分凸优化问题分解为标准凸优化问题，使用经典的凸优化数值化方法即可求解出最终的最优解，有效减轻了网络开销，提高了网络系统的安全容量和安全性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化系统，其特征在于：包括中心处理器1、多个基站2、多个窃听用户3和多个合法用户4，所述中心处理器1与多个基站2连接，所述每个基站2与多个窃听用户3、多个合法用户4无线通信。

一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于：所述中心处理器1有一个，定义基站2有M个，定义窃听用户3有N_E个，定义合法用户4有N_A个，定义基站到合法用户和窃听用户的无线信道衰落矩阵分别为和定义第m个基站的波束成形向量以及全体基站的波束成形向量此时系统的安全速率可定义为：

上式和分别代表合法用户与窃听用户接收机的噪声功率；

假设第m个基站的分簇函数为s_m，当第m个基站属于服务基站集时s_m＝1，否则s_m＝0；定义第m个基站对目标文件的缓存状态c_m，当第m个基站缓存中存储有目标文件时c_m＝1，否则c_m＝0；

则定义系统的带宽代价函数为

上式中，R代表文件大小；

系统的功耗代价函数为：

C_P＝Tr(ww^H)

上式Tr()是矩阵求迹函数，Tr()里面的w^H表示矩阵向量的共轭转置；

总代价函数为：

上式η只是一个权重因子，可根据不同场景自由选取。

如图2所示，本实施例的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立基于云无线接入网的安全通信优化模型，在安全容量约束下，使得系统总代价函数最小化，即：

上式C_T代表预设的安全容量门限值；

S2、根据约束条件，对分簇函数s_m进行近似化处理，根据约束条件，可定义|| ||表示矩阵的范数，再根据零阶范数连续化近似处理，并引入松驰变量t_m，可将P₀优化问题转化为以上优化问题：

式中，其中θ为近似变量，可取任意正数，上式

S3、利用差分凸优化方法对上述优化问题进行迭代处理，首先将P₁问题转化为标准DC优化问题，即：

然后再进行迭代处理。

本实施例的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于，所述步骤S3迭代处理的步骤为：

c)初始化：i＝0,w⁽⁰⁾＝w_init,

d)使用标准凸优化工具解如下子问题

c)更新：i＝i+1,w⁽ⁱ⁾＝w,t_m⁽ⁱ⁾＝t_m，当达到迭代停止条件时，停止迭代；否则执行b)操作。

本实施例的一种基于云无线接入网的物理层安全通信优化方法，其特征在于：所述w_init的确定方法，可根据如下优化问题进行求解：

综上，本发明基于云无线接入网架构，在系统安全容量约束条件下，对系统总代价函数进行最小化优化。其中的总代价函数同时考虑系统带宽代价和功率代价。本发明利用差分凸优化技术求解最小化优化问题，具体方法包括：基于云无线接入网的建立安全通信优化模型；通过零阶范数近似化处理将上述优化模型转化为标准差分凸优化问题；再使用迭代化方法将上述差分凸优化问题分解为标准凸优化问题，使用经典的凸优化数值化方法即可求解出最终的最优解，有效减轻了网络开销，提高了网络系统的安全容量和安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。