一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法与流程

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法。

背景技术：

智能终端的普及和性能提升推动了无线数据业务的飞速发展。然而，追求大覆盖区域和同构业务优化的单层宏网络，越来越难以承载指数级增长的数据流量。在宏基站覆盖范围上叠加低功率小基站所构成的异构网络能够提高空间资源的重用率和通信覆盖。

进一步地，由于用户数量分布和业务密度分布在空间和时间上存在巨大分布差异，通过在热点区域密集化地部署大量小基站构成密集异构网络能够更好地满足热点区域高密度的用户接入和业务流量需求。

与其他无线网络类似，密集异构网络的安全问题是其推广和应用过程中的基本问题。传统的安全技术通常采用密钥加密的手段来保障信息传输的安全，其安全性能是以高计算复杂度为代价的。而近来兴起的物理层安全技术利用无线信道的多样性和时变性以及通信双方信道特征的唯一性和互易性来保障无线通信安全，不赖于计算复杂度且无需高层密钥分发。其特点非常适用于网络拓扑结构动态变化的密集异构网络。

与此同时，大规模天线、多点协作等传输技术的出现，在提升网络传输性能的同时，也为物理层安全技术的进一步运用和发展创造了条件。大规模天线与多点协作技术有助于扩大合法用户信道相对于窃听信道的优势，进一步增强无线通信的安全性。

然而，由于多层密集异构网络拓扑结构与节点类型的复杂性与动态性，现有的安全传输方法难以灵活性地适应多层密集异构网的情况，可能导致部分区域能量或资源效率不高或部分区域安全性能不足。因此，设计能够灵活性地适应多层密集异构网特点的物理层安全传输方法迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有的安全传输方法中的不足，提供一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，提升密集异构网络无线传输的物理层安全性能，增强网络系统抵御潜在静默窃听的能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：

步骤1：判断当前网络能否提供簇间协作；

步骤2：判断目标用户移动性高低；

步骤3：选取协作服务基站集合；

步骤4：配置协作服务基站集合中各基站的协作方式；

步骤5：对目标用户进行协作安全传输。

优选地，所述步骤3包括：

根据当前网络能否提供簇间协作及目标用户移动性高低，选取协作服务基站集合，分别执行如下步骤：

步骤31：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性低，则从所有能够提供服务的基站中选择所有在目标用户处接收信干噪比大于门限值β的基站组成协作服务基站集合φc,l：目标用户处接收到的信号表示为：

目标用户处接收到的任意基站的信干噪比表示为：

其中，sinr(bm,n,u)为基站bi,j处目标用户u的信干噪比，表示整个网络中所有基站的集合，φi表示第i层所有基站的集合，i∈[1,k]，bi,j表示第i层中第j个基站，d(i,j),u表示基站bi,j与用户u之间的距离，ai为路径损耗指数，表示基站bi,j与用户u之间的信道向量，表示基站bi,j所使用的预编码向量，表示基站bi,j所使用的人工噪声编码向量，ni为第i层中发射天线数，si,j表示基站bi,j所发射的信号符号且σu表示加性热噪声，bm,n为第m层中第n个基站，u为目标用户，pm为第m层中所有基站的最大发射功率，pi为第i层中所有基站的最大发射功率，d(m,n),u表示基站bm,n与用户u之间的距离，表示基站bm,n与用户u之间的信道向量，nm为第m层中发射天线数，表示基站bm,n所使用的预编码向量，表示基站bm,n所使用的人工噪声编码向量；

步骤32：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性高，则从所有能够提供服务的宏基站中选择所有在该用户处接收信干噪比大于门限值γ的基站组成服务基站集合φh,l；

步骤33：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，则判断其是否处于某个基站簇的覆盖范围内；根据其是否处于某个基站簇的覆盖范围内，分别执行如下过程：

步骤331：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，且处于某个基站簇的覆盖范围内，则从所有密集化簇状部署的基站中选择能够提供服务的基站组成候选服务基站集合φcand,l；在候选服务基站集合φcand,l中，同属一个基站簇φi,j的候选基站总数记为ni,j；若所有ni,j中的最大者为nm,n，对应的基站簇为φm,n，则该用户的协作服务基站集合φc,l＝φcand,l∩φm,n；

步骤332：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，且不处于某个基站簇的覆盖范围内，则从所有能够提供服务的基站中选择用户处接收信干噪比最大的基站作为候选服务基站；

步骤34：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性高，则从所有能够提供服务的宏基站中选择用户处接收信干噪比最大的基站作为候选服务基站。

优选地，所述步骤4包括：

对应步骤3中的不同执行过程，步骤4分别如下：

步骤41：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性低，则将φc,l中该用户处接收信干噪比最大的发射基站表示为bl,max，接收信干噪比最小的发射基站表示为bl,min，以ll,a表示bl,max与目标用户ul之间的距离，以ll,b表示bl,min与目标用户ul之间的距离，对于φc,l中的任意基站bi,j，其传输与干扰功率配比系数选择策略如下：

步骤42：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性高，对于φh,l中的任意基站bi,j，其φi,j选择策略如下：

步骤431：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，且处于某个基站簇的覆盖范围内，对于φc,l中的任意基站bi,j，其φi,j选择策略如下：

优选地，所述步骤5包括：

对应步骤4中的不同执行过程，步骤5分别如下：

步骤51：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性低，则φc,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对目标用户进行传输；

步骤52：若当前网络能够提供簇间协作且目标用户移动性高，则φh,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对目标用户进行传输；

步骤531：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，且处于某个基站簇的覆盖范围内，φc,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对目标用户进行传输；

步骤532：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性低，且不处于某个基站簇的覆盖范围内，则由候选服务基站对目标用户进行传输；

步骤54：若当前网络不能够提供簇间协作且目标用户移动性高，则由候选服务基站对目标用户进行传输。

优选地，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络。

优选地，所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署。

优选地，所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备。

优选地，所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

优选地，所述步骤31、步骤41、步骤51，步骤32、步骤42、步骤52，步骤331、步骤431、步骤531，步骤332、步骤532及步骤34、步骤54分别照应。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明公开了一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，通过充分利用网络当中能够提供协作的基站组成分布式天线，根据目标用户所处当前网络能否提供簇间协作、目标用户移动性的高低以及各基站与目标用户间的相对位置，动态地调整各基站的协作参数，为目标用户提供有助于抵御潜在被动窃听的协作安全传输。具体包括：对于申请接入密集异构网络的一个随机用户，在对其进行处理时，将其称作“目标用户”，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作；判断目标用户移动性的高低；从能够为目标用户提供服务的全部基站中选出所有能够满足目标用户接收sinr要求的基站组成协作服务基站集合；根据网络能否提供簇间协作、目标用户移动性的高低以及各协作服务基站与目标用户间的相对位置配置相应的基站协作方式；协作服务基站集合中的相应基站对目标用户进行协作安全传输。

本发明将目标用户周围合适的微基站、微微基站、毫微微基站等小基站，通过多点协作组成分布式天线，与其周边宏基站配备的集中式大规模天线相配合，实现目标用户安全传输速率的最大化。

附图说明

图1为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之一。

图2为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之二。

图3为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的密集异构网络中的密集基站簇示意图。

图4为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的簇间协作示意图。

图5为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的多层密集异构网络示意图。

图6为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之三。

图7为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之四。

图8为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之五。

图9为本发明一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法的基本流程示意图之六。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：

步骤s101：判断当前网络能否提供簇间协作；

步骤s102：判断目标用户移动性高低；

步骤s103：选取协作服务基站集合；

步骤s104：配置协作服务基站集合中各基站的协作方式；

步骤s105：对目标用户进行协作安全传输。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述用户包括：该用户所使用的移动终端设备、该用户所使用的可穿戴智能设备、属于该用户的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

实施例二：

如图2-5所示，本发明的另一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：

步骤s201：将用户ul作为目标用户，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作，图3为密集异构网络中的密集基站簇示意图；目标用户ul所处的当前网络能够提供簇间协作，图4为簇间协作示意图；

步骤s202：然后判断目标用户移动性高低，目标用户移动性低；

步骤s203：从所有能够提供服务的基站中选择所有在目标用户处接收信干噪比大于门限值β的基站组成协作服务基站集合φc,l：

目标用户处接收到的信号表示为：

目标用户处接收到的任意基站的信干噪比表示为：

其中，sinr(bm,n,u)为基站bi,j处用户u的信干噪比，u为目标用户，表示整个网络中所有基站的集合，φi表示第i层所有基站的集合，i∈[1,k]，bi,j表示第i层中第j个基站，d(i,j),u表示基站bi,j与用户u之间的距离，αi为路径损耗指数，表示基站bi,j与用户u之间的信道向量，表示基站bi,j所使用的预编码向量，表示基站bi,j所使用的人工噪声编码向量，ni为第i层中发射天线数，对于i>1时，通常ni＝1，si,j表示基站bi,j所发射的信号符号且σu表示加性热噪声，bm,n为第m层中第n个基站，u为目标用户，pm为第m层中所有基站的最大发射功率，pi为第i层中所有基站的最大发射功率，d(m,n),u表示基站bm,n与用户u之间的距离，表示基站bm,n与用户u之间的信道向量，nm为第m层中发射天线数，对于m>1时，通常nm＝1，表示基站bm,n所使用的预编码向量，表示基站bm,n所使用的人工噪声编码向量；

步骤s204：将φc,l中该用户处接收信干噪比最大的发射基站表示为bl,max，接收信干噪比最小的发射基站表示为bl,min，以ll,a表示bl,max与目标用户ul之间的距离，以ll,b表示bl,min与目标用户ul之间的距离，对于φc,l中的任意基站bi,j，其传输与干扰功率配比系数选择策略如下：

步骤s205：则φc,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对ul进行传输。

作为一种可实施的方式，门限值β的取值为0.1892。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署，k＝3时的多层密集异构网络示意图如图5所示；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

实施例三：

如图6所示，本发明的一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：

步骤s301：将用户ul作为目标用户，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作，目标用户ul所处的当前网络能够提供簇间协作；

步骤s302：判断目标用户移动性高低，目标用户移动性高；

步骤s303：从所有能够提供服务的宏基站中选择所有在该用户处接收信干噪比大于门限值γ的基站组成服务基站集合φh,l；

步骤s304：将φh,l中该用户处接收信干噪比最大的发射基站表示为bl,max，接收信干噪比最小的发射基站表示为bl,min，以ll,a表示bl,max与目标用户ul之间的距离，以ll,b表示bl,min与目标用户ul之间的距离，对于φh,l中的任意基站bi,j，其φi,j选择策略如下：

步骤s305：则φh,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对ul进行传输。

作为一种可实施的方式，门限值γ取值为0.4142。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署，k＝3时的多层密集异构网络示意图如图5所示；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

实施例四：

如图7所示，本发明的另一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：步骤s401：将用户ul作为目标用户，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作，目标用户ul所处的当前网络无法提供簇间协作；

步骤s402：然后判断目标用户移动性高低，目标用户的移动性较低；

步骤s403：判断目标用户是否处于某个基站簇的覆盖范围内，目标用户处于某个基站簇的覆盖范围内；

步骤s404：从所有密集化簇状部署的基站中选择能够提供服务的基站组成候选服务基站集合φcand,l；在候选服务基站集合φcand,l中，同属一个基站簇φi,j的候选基站总数记为ni,j；若所有ni,j中的最大者为nm,n，对应的基站簇为φm,n，则该用户的协作服务基站集合φc,l＝φcand,l∩φm,n；

步骤s405：对于φc,l中的任意基站bi,j，其φi,j选择策略如下：

步骤s406：φc,l中所有φi,j不为0的基站通过联合协作组成分布式天线，对ul进行传输。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署，k＝3时的多层密集异构网络示意图如图5所示；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

实施例五：

如图8所示，本发明的另一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：步骤s501：将用户ul作为目标用户，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作，目标用户ul所处的当前网络无法提供簇间协作；

步骤s502：然后判断目标用户移动性高低，目标用户的移动性较低；

步骤s503：判断目标用户是否处于某个基站簇的覆盖范围内，目标用户不处于某个基站簇的覆盖范围内；

步骤s504：从所有能够提供服务的基站中选择用户处接收信干噪比最大的基站作为候选服务基站；

步骤s505：判断用户处接收的候选服务基站信干噪比sinr是否大于门限值β，若是，则将候选服务基站作为服务基站、对目标用户ul进行传输；若否，则发生中断。

作为一种可实施方式，门限值β取值为0.1892。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署，k＝3时的多层密集异构网络示意图如图5所示；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

实施例六：

如图9所示，本发明的另一种密集异构网络多点协作物理层安全传输方法，包括以下步骤：步骤s601：将用户ul作为目标用户，首先判断目标用户所处的当前网络能否提供簇间协作，目标用户ul所处的当前网络无法提供簇间协作；

步骤s602：然后判断目标用户移动性高低，目标用户的移动性高；

步骤s603：从所有能够提供服务的宏基站中选择用户处接收信干噪比最大的基站作为候选服务基站；

步骤s604：判断用户处接收的候选服务基站信干噪比sinr是否大于门限值γ，若是，则将候选服务基站作为服务基站、对目标用户ul进行传输；若否，则发生中断。

作为一种可实施的方式，门限值γ取值为0.4142。

值得说明的是，该方法适用于k层密集异构网络，k≥2，其中第1层为宏基站，第2至k层为小基站，包括：微基站、微微基站、毫微微基站，且2至k层中至少有一层为密集化簇状部署，k＝3时的多层密集异构网络示意图如图5所示；该方法同样适用但不限于普通多层异构网络、单层密集网络以及普通单层网络；

所述普通多层异构网络指k层网络中的所有层的基站均不为密集簇部署，所述单层密集网络指k＝1且该层基站为密集簇部署，所述普通单层网络指k＝1且该层基站不为密集簇部署；

所述目标用户包括：接入点用户使用的移动终端设备、接入点用户使用的可穿戴智能设备、接入点用户使用的物联网设备；

所述基站包括：蜂窝网中的宏基站、微基站、微微基站、毫微微基站、wifi热点、中继站。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。