基于协作干扰的资源分配方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于协作干扰的资源分配方法、系统及存储介质。

背景技术：

目前基于协作干扰的物理层安全技术应用非常广泛，大部分都是采用固定的协作干扰节点通过发送噪声对窃听者进行干扰。这种方式需要干扰节点消耗大量的能量制造和发送噪声，既不环保，频谱利用率也不高，甚至可能会对用户接收效果带来不利影响。现有技术中，也有采用通过接入次级用户，利用次级用户间的通信作为干扰信号的方式提高能量和频谱效率，但仅局限于单天线的情况。在目前4g、5g技术的发展形势下，mimo已成为通信技术的主流，单天线早已经不能满足目前的需求。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种利用次级用户通信实现物理层安全的基于协作干扰的资源分配方法、系统及存储介质，以提高频谱效率、提高通信容量、达到节能减排效果。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于协作干扰的资源分配方法，所述方法应用于通信网络系统，所述通信网络系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，所述方法包括以下步骤：

基站向主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

所述第一次级用户终端将接收到的所述基站发送的信息采用df方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

其中，所述方法还包括：

获取所述通信网络系统当中每个节点获得的通信容量；

基于每个节点获得的通信容量，设计资源分配算法；

求解所述资源分配算法，计算获得功率分配方案。

其中，所述求解所述资源分配算法，计算获得功率分配方案的步骤包括：

s1，设计预设的惩罚函数；

s2，选取任意初始功率；

s3，利用退火算法的方式对预设的资源分配算法进行迭代求解，获得惩罚函数的值；

s4，判断惩罚函数的值与预设的惩罚函数的比较结果，若误差较大，则提高惩罚系数，重新开始第s2步，若惩罚函数值很小，则该结果为最优值，获得最优功率分配方案。

其中，所述基于每个节点获得的通信容量，设计资源分配算法的步骤中包括：

基于每个节点获得的通信容量，获得所述主用户终端的保密容量；

基于所述主用户终端的保密容量，以及所述基站、主用户终端、次级用户终端的通信功率，构造所述资源分配算法。

本发明还提出一种通信网络系统，所述通信网络系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，其中：

基站，用于向所述主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

所述第一次级用户终端，用于将接收到的所述基站发送的信息采用df方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

本发明还提出一种基于协作干扰的资源分配系统，所述基于协作干扰的资源分配系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，所述通信网络系统还包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法的步骤。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于协作干扰的资源分配的方法及系统，该方法包括基站、次级用户、主用户、窃听者，在基站与主用户通信的同时，允许次级用户接入频谱进行通信，同时作为基站与主用户的中继转发信息。本发明通过引入次级用户，利用次级用户间的通信信号，实现对窃听者的干扰，既能实现主用户信息的物理层安全性能提升，又在此基础上使次级用户获得频谱接入权从而提升了频谱利用率。本发明还提供了相应的资源分配算法，能在一定的功率约束下，保证主用户的保密容量的同时，最大限度提高总通信容量。本发明产品可以应用于所有基于协作干扰的物理层安全领域。

相比现有技术，本发明引入次级用户代替噪声干扰节点，有效提高了频谱效率和能量效率，同时从单天线的基础上将问题拓展到mimo系统当中，大大提高了系统的安全可靠性和通信效率。

附图说明

图1是本发明基于协作干扰的资源分配方法的流程示意图；

图2是本发明涉及的通信网络系统的架构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于现有技术中，通过协作干扰节点发送噪声对窃听者进行干扰的方式需要额外的能量产生和发射噪声，不仅耗费大量能量，而且频谱利用效率也不高，而单天线情况下引入次级用户的方式，由于单天线的本身局限性，在窃听者装备多根天线的情况下无法保证主用户通信的安全性。同时由于单天线只能同时传输一个数据流，通信容量和效率都比较低，在目前mimo广泛普及的情况下无法满足通信需求。

本发明提供一种利用次级用户通信实现物理层安全的模型和方法应用具有如下目的：

目的1、提高频谱效率：通过允许次级用户接入频谱进行通信的方式代替传统的噪声干扰，在保证主用户的性能不受影响的情况下使次级用户获得了通信的机会，提高了频段中的有效通信容量，提高了频谱效率。

目的2、节能减排效果：由于采用次级用户间的通信信号作为对窃听者的干扰，彻底去除了传统干扰中产生和发送噪声消耗的能量。所有能量均消耗在通信上，大大提高了能量的有效利用，为绿色通信打下基础。

目的3、提高通信容量；通过合理的资源分配方式，在一定的功率约束下，保证主用户的保密容量的同时最大限度提高总通信容量，使主、次级用户达到双赢。

具体地，如图1所示，本发明提出一种基于协作干扰的资源分配方法，所述方法应用于通信网络系统，该所述通信网络系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，所述方法包括以下步骤：

s101，基站向主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

s102，所述第一次级用户终端将接收到的所述基站发送的信息采用df(协作通信中，一个最基本的decodeandforward程序)方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

进一步地，所述方法还包括：

获取所述通信网络系统当中每个节点获得的通信容量；

基于每个节点获得的通信容量，设计资源分配算法；

求解所述资源分配算法，计算获得功率分配方案。

其中，基于每个节点获得的通信容量，设计资源分配算法的步骤中包括：

基于每个节点获得的通信容量，获得所述主用户终端的保密容量；

基于所述主用户终端的保密容量，以及所述基站、主用户终端、次级用户终端的通信功率，构造所述资源分配算法。

其中，求解所述资源分配算法，计算获得功率分配方案的步骤包括：

s1，设计预设的惩罚函数；

s2，选取任意初始功率；

s3，利用退火算法的方式对预设的资源分配算法进行迭代求解，获得惩罚函数的值；

s4，判断惩罚函数的值与预设的惩罚函数的比较结果，若误差较大，则提高惩罚系数，重新开始第s2步，若惩罚函数值很小，则该结果为最优值，获得最优功率分配方案。

以下对本发明方案进行详细阐述：

本发明提供了一种基于协作干扰的资源分配的方法及系统，该系统包括基站、次级用户、主用户、窃听者，其基本原理如下：

在基站与主用户通信的同时，允许次级用户接入频谱进行通信，同时作为基站与主用户的中继转发信息。本发明的目的在于通过引入次级用户，利用次级用户间的通信信号，实现对窃听者的干扰。既能实现主用户信息的物理层安全性能提升，又在此基础上使次级用户获得频谱接入权从而提升了频谱利用率。本发明还提供了相应的资源分配算法，能在一定的功率约束下，保证主用户的保密容量的同时最大限度提高总通信容量。本发明产品可以应用于所有基于协作干扰的物理层安全领域。

具体地，如图2所示，在如图2的一个通信网络当中，t、r为基站与主用户，alice、bob为次级用户，eve为窃听者，通信过程分为两个时段：

第一时段中t向r和a发送信息，同时b向a发送信息；

第二时段中a将收到的t发送的信息用df的方式转发给r，同时与b进行通信。eve作为窃听者接收整个通信中的所有信号。

在这种情况下，每个节点获得的通信容量就为ca、cb、cr、ce；

主用户获得的保密容量可以表示为cs

那么最优的功率分配方案为：

其中pt、pb为t和bob的实际功率，pa1、pa2为alice转发信息和与bob通信的功率。p为总功率约束。c0c1c2是每个用户所要求的最低保密容量或通信容量。

因为采用df的方式转发信息，所以主用户获得的保密容量由中继alice和r中容量较小的一方决定。为不浪费功率可以使二者相等，通过建立等式关系，用pa1将pt表示出来。a*pa1＝pt；

上述分配问题简化为：

s.t.a*pa1+pb≤p

pa1+pa2≤p

cs≥c0

cb≥c1

ca≥c2

由于该问题非凸，需设计算法对其求解：

1：设计惩罚函数f，减少约束条件；

2：选取任意初始功率；

3：利用退火算法的方式对问题进行迭代求解；

4：判断惩罚函数f的值，若误差较大，则提高惩罚系数，重新开始第2步，若惩罚函数值很小，则该结果为最优值。

通过算法求解，可以获得该问题的数值解。即最优功率分配方案。

相比现有技术，本发明引入次级用户代替噪声干扰节点，有效提高了频谱效率和能量效率，同时从单天线的基础上将问题拓展到mimo系统当中，大大提高了系统的安全可靠性和通信效率。

此外，本发明还提出一种通信网络系统，所述通信网络系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，其中：

基站，用于向所述主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

所述第一次级用户终端，用于将接收到的所述基站发送的信息采用df方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

此外，本发明还提出一种基于协作干扰的资源分配系统，所述基于协作干扰的资源分配系统包括：基站、主用户终端、窃听用户终端，以及至少两个次级用户终端，所述两个次级用户终端包括第一次级用户终端和第二次级用户终端，所述通信网络系统还包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如下操作：

基站向主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

所述第一次级用户终端将接收到的所述基站发送的信息采用df方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

进一步地，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现如下操作：

获取所述通信网络系统当中每个节点获得的通信容量；

基于每个节点获得的通信容量，设计资源分配算法；

求解所述资源分配算法，计算获得功率分配方案。

进一步地，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现如下操作：

s1，设计预设的惩罚函数；

s2，选取任意初始功率；

s3，利用退火算法的方式对预设的资源分配算法进行迭代求解，获得惩罚函数的值；

s4，判断惩罚函数的值与预设的惩罚函数的比较结果，若误差较大，则提高惩罚系数，重新开始第s2步，若惩罚函数值很小，则该结果为最优值，获得最优功率分配方案。

进一步地，所述计算机程序被所述处理器执行时还实现如下操作：

基于每个节点获得的通信容量，获得所述主用户终端的保密容量；

基于所述主用户终端的保密容量，以及所述基站、主用户终端、次级用户终端的通信功率，构造所述资源分配算法。

此外，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下操作：

基站向主用户终端及第一次级用户终端发送信息，同时所述第一次级用户终端接收第二次级用户终端发送的信息；

所述第一次级用户终端将接收到的所述基站发送的信息采用df方式转发至所述主用户终端，同时与所述第二次级用户进行通信，以采用次级用户间的通信信号作为对窃听用户终端的干扰。

本实施例的具体原理，请参照上述实施例，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。