一种增强蜂窝网安全性的D2D通信下行资源共享方法与流程

本发明涉及基于下行蜂窝网的d2d通信技术领域，尤其是一种增强蜂窝网安全性的d2d通信下行资源共享方法。

背景技术：

d2d通信允许两个物理位置相近的蜂窝用户直接通信，而不需要通过基站。因而，相比传统的蜂窝通信，d2d可以实现更高的频谱利用率和数据传输速率，更低的功率消耗。因此，d2d通信已经提议作为现有和未来的蜂窝网络系统的一个重要补充，主要用于本地无线服务

作为蜂窝网络的底层，d2d通信将不可避免地对蜂窝用户(cu)引入干扰，这可能降低蜂窝通信质量，阻碍cu与d2d链路共享其频谱资源。因此，迫切需要智能干扰管理方案来解决这个冲突。然而，从物理层安全的角度来看，这样干扰变得有益，因为d2d链路可以作为友好的干扰和帮助cu防止被窃听。因此，为了实现双赢的目标，即用于cu的安全可靠通信和d2d链路的高频谱效率，需要对cu和d2d链路的资源共享策略进行优化。

在本发明中的条件中，我们协同优化蜂窝用户和d2d链路的发射功率，以及蜂窝用户信道和d2d链路的匹配。在满足蜂窝用户cu的安全通信qos约束，以及蜂窝用户cu和d2d链路的功率约束的前提下，最大化d2d链路的和速率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种增强蜂窝网安全性的d2d通信下行资源共享方法，收敛速度快，计算量小，易于实现，结果精度高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种增强蜂窝网安全性的d2d通信下行资源共享方法，包括如下步骤：

(1)设置蜂窝用户的发射功率矩阵p⁰，设置d2d链路d在信道c上的发射功率矩阵i＝1,...,d，设置蜂窝用户的发射功率预算矩阵并设置初始对偶变量λ⁽⁰⁾＝0和设置精度ε1＝10^-6、ε2＝2×10^-6、ε3＝10^-8、ε4＝2×10^-8，初始化迭代次数t＝0、s＝0、k＝0、m＝0；

(2)根据公式

和

更新和以获得第j对d2d用户在蜂窝频带i上的最优通信速率：其中：

式中：ai表示蜂窝用户i与基站的归一化信道增益，θij表示d2d链路j发射端到蜂窝用户i的归一化干扰信道增益，rij表示d2d链路j发射端到蜂窝用户i的归一化信道增益，βij表示蜂窝用户i对d2d链路j的归一化干扰信道增益，ξijl表示d2d链路l在蜂窝频带i上对d2d链路j的归一化干扰信道增益；表示第k次迭代蜂窝用户i的发射功率向量，表示d2d链路j在蜂窝用户i信道上的发射功率向量；和均为迭代函数构成的函数向量，表示d2d链路j在蜂窝用户i信道上的发射功率向量；为蜂窝用户在蜂窝频带i上的信噪比，为第j对d2d用户在蜂窝频带i上的信噪比；其中

(3)对所有i＝1,2,…,c，判断和是否均成立：若成立，则进入步骤(4)；否则令k＝k+1，返回步骤(2)；

(4)设置步长序列其中为步长序列的第一个值；

(5)求解更新其中

为所有蜂窝用户最小通信速率；

(6)判断|λ^(s+1)-λ^(s)|<ε2是否成立：若成立，则进入步骤(7)；否则令s＝s+1，返回步骤(2)；

(7)判断是否成立：若成立，则将作为当前功率预算下优化后的蜂窝用户在蜂窝频带i上的发射功率输出，将作为优化后的d2d用户在蜂窝频带i上的发射功率向量输出，进而求出蜂窝用户c和d2d链路d的最优匹配否则令t＝t+1，返回步骤(2)；

(8)根据公式

计算其中rd(pc(pd,c),pd,c)表示d2d用户d的传输速率，设置方向导数

(9)计算:

t^m+1＝[t^m+τmd(t^m)]t；

其中，τm是从迭代步长序列取出的对应值，t为约束采用注水法来完成t到t的映射，式t＝[z]t表示为对于所有c∈c都有tc＝[zi-θ]⁺,其中θ为满足约束的最低水位；

(10)判断||t^m+1-t^m||<ε3是否成立，若成立，则将t^m作为最优功率预算分配解，为最佳功率分配和最佳信道匹配，进而求出所有d2d用户的通信和速率，否则令m＝m+1，重新初始化其余不相关参数，返回步骤(2)。

本发明的有益效果为：(1)本发明所提算法在有窃听者的情况下，利用d2d用户对蜂窝用户的干扰来保证蜂窝用户安全通信；(2)本发明用闭式解来表征任意cu-d2d对之间的功率控制；(3)本发明采用功率预算分配方案得到最优功率传输方案；(4)本发明中所提算法能联合优化功率预算、功率控制以及信道分配；(5)本发明对于提高蜂窝用户的安全通信有显著效果；(6)本发明具有收敛速度快，计算量小，易于实现，结果精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的基于单信道蜂窝网下行链路的d2d系统示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

图3为本发明的多信道蜂窝用户情形下，蜂窝用户为联合功率限制、d2d用户为独立功率限制、d2d和通信速率与蜂窝用户qos关系在不同发射功率策略和链路策略下的示意图。

图4为本发明的多信道蜂窝用户情形下，蜂窝用户为联合功率限制、d2d用户为独立功率限制、d2d用户和通信速率与蜂窝频带数量关系在不同发射功率策略和链路策略下示意图。

具体实施方式

基于蜂窝网的d2d用户的通信速率优化问题是一个复杂的非凸非线性的优化问题，本发明针对的蜂窝用户为下行单信道，应用本算法可以在有窃听者的条件下，保证蜂窝用户的安全通信，并且可以快速优化并求解出蜂窝用户的最优发射功率和d2d用户的最优发射功率以及蜂窝用户和d2d用户之间的最优信道匹配采用本优化算法得到的发射功率能够保证蜂窝用户安全通信速率要求，并最大化所有d2d用户通信速率之和。下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

各个参数的说明如下：

ωd,c∈{0,1}表示蜂窝用户c是否被d2d链路复用d；

pc表示蜂窝用户在蜂窝频带c上的发射功率；

qd,c表示d2d用户d在蜂窝频带c上的发射功率向量；

gc表示蜂窝用户c与基站之间的归一化信道增益；

表示基站与窃听者之间在信道c上的归一化干扰信道增益；

gd,c表示d2d用户d在蜂窝信道c之间的归一化信道增益；

表示基站到d2d链路d接收机在信道c上的归一化干扰信道增益；

表示d2d链路d发射机和对蜂窝用户c之间的归一化干扰信道增益；

表示d2d链路d发射机对窃听者在蜂窝信道c上的归一化信道增益；

rc表示蜂窝用户在蜂窝频带c上的最低通信速率；

设蜂窝系统共有d对d2d用户和c个蜂窝用户，每个蜂窝用户单独占用一个蜂窝频带；

图1所示为基于蜂窝系统下行链路的d2d通信技术系统示意图，可知d2d链路d和蜂窝用户c的可达安全速率分别表示为：

和

在该系统中，我们的优化目标为最大化所有d2d用户的和通信速率，即：此外，由于蜂窝用户相比于d2d用户具有更高优先级，因而蜂窝用户有最小安全通信速率保障，即蜂窝用户存在一个总功率限制并且每条d2d链路在每个信道上也有一个功率预算，因此优化问题数学描述为：

此问题为非凸问题。引入变量tc替换pc。将原问题转化为如下等价优化问题：

根据信道信息最优化每个信道的独立功率限制。如果给定信道分配ωd,c，可以求出最优功率控制闭式解：

其中：

通过求解上式可以得到最优功率控制，问题转换为二分图中最大权值匹配问题。蜂窝用户以及d2d链路是顶点集，d2d链路在信道上的最大数据传输速率为边的权值。

其中

是在没有d2d用户复用该信道时不满足安全通信的蜂窝用户集合。为其他蜂窝用户集合。

用来表示原问题在当前t约束下的最优解，此时我们可以得到hc(tc)在tc处可微，且导数为：

于是可以得到h(t)的方向导数，进而用梯度下降法解决问题。

如图2所示，具体优化算法步骤如下：步骤1：设置蜂窝用户的发射功率矩阵p⁰，设置d2d链路d在信道c上的发射功率矩阵设置蜂窝用户的发射功率预算矩阵并设置初始对偶变量λ⁽⁰⁾＝0和设置精度ε1＝10^-6、ε2＝2×10^-6、ε3＝10^-8、ε4＝2×10^-8，初始化迭代次数t＝0、s＝0、k＝0、m＝0；

步骤2：根据公式

和

更新和以获得第j对d2d用户在蜂窝频带i上的最优通信速率：其中：

式中：

ai表示蜂窝用户i与基站的归一化信道增益，θij表示d2d链路j发射端到蜂窝用户i的归一化干扰信道增益，rij表示d2d链路j发射端到蜂窝用户i的归一化信道增益，βij表示蜂窝用户i对d2d链路j的归一化干扰信道增益，ξijl表示d2d链路l在蜂窝频带i上对d2d链路j的归一化干扰信道增益；表示第k次迭代蜂窝用户i的发射功率向量，表示d2d链路j在蜂窝用户i信道上的发射功率向量；和均为迭代函数构成的函数向量，表示d2d链路j在蜂窝用户i信道上的发射功率向量；为蜂窝用户在蜂窝频带i上的信噪比，为第j对d2d用户在蜂窝频带i上的信噪比；其中j=1,…,d、

步骤3：对所有i＝1,2,…,c，判断和是否均成立：若成立，则进入步骤4；否则令k＝k+1，返回步骤2；

步骤4：设置步长序列其中为步长序列的第一个值。

步骤5：求解更新其中

为所有蜂窝用户最小通信速率；

步骤6：判断|λ^(s+1)-λ^(s)|<ε2是否成立：若成立，则进入步骤7；否则令s＝s+1，返回步骤2；

步骤7：判断且是否成立：若成立，则将作为当前功率预算下优化后的蜂窝用户在蜂窝频带i上的发射功率输出，将作为优化后的d2d用户在蜂窝频带i上的发射功率向量输出，进而求出蜂窝用户c和d2d链路d的最优匹配否则令t＝t+1，返回步骤2。

步骤8：根据公式

计算其中rd(pc(pd,c),pd,c)表示d2d用户d的传输速率，设置方向导数

步骤9：计算:

t^m+1＝[t^m+τmd(t^m)]t；

其中，τm是从迭代步长序列取出的对应值，t为约束采用注水法来完成t到t的映射。式t＝[z]t表示为对于所有c∈c都有tc＝[zi-θ]⁺,其中θ为满足约束的最低水位。

步骤10：判断||t^m+1-t^m||<ε3是否成立，若成立，则将t^m作为最优功率预算分配解，为最佳功率分配和最佳信道匹配。进而求出所有d2d用户的通信和速率。否则令m＝m+1,重新初始化其余不相关参数，返回步骤2。

具体仿真时，设蜂窝半径为500m，蜂窝频带带宽10mhz，固定d2d发射机到接收机距离为20m，高斯白噪声功率谱密度为-173dbm/hz，指数信道衰落指数为3.5，基站发射功率预算为46dbm，d2d链路发射功率预算为24dbm，蜂窝用户和d2d用户随机均匀分布在蜂窝中。

图3展示了蜂窝用户满足安全qos条件的概率与d2d链路数用户之间的关系，并且将最优功率传输策略与其他几种方案比较。

算法1：最优发射功率策略+最优d2d链路-蜂窝用户匹配策略；

算法2：最大发射功率策略+最优d2d链路-蜂窝用户匹配策略；

算法3：最优发射功率策略+随机d2d链路-蜂窝用户匹配策略；

算法4：最大发射功率策略+随机d2d链路-蜂窝用户匹配策略；

算法5：平均发射功率策略+最优d2d链路-蜂窝用户匹配策略

可以看出，当d2d链路数增加时，算法1下蜂窝用户满足安全qos条件的概率显著增加。这说明d2d对蜂窝用户的安全通信有显著作用。

图4展示了d2d用户平均通信速率与d2d链路数量的关系，可以看出，当d2d链路数增加时，算法1下d2d用户平均通信速率增加显著超过了其他算法。这说明d2d通信提高了蜂窝用户的频带利用率。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。