一种基于认知速率分割多址网络内部窃听的可靠传输方法

本公开涉及属于无线通信网络，尤其涉及内部窃听用户和速率分割多址接入技术的无线通信网络可靠传输方案设计。

背景技术：

1、此部分的陈述仅仅提供与本公开有关的背景技术信息，并且这些陈述可能构成现有技术。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题。

2、随着5g及以后设备数量的急剧激增，无线网络将在从欠载到过载的各种状态下运行(其中预定设备数量分别小于和大于每个接入点的发射天线数量)。此外，由于5g及以后的设备(高端如智能手机和低端如物联网和机器型通信设备)、部署和应用的异质性，发射器将需要同时为具有不同能力、部署和发射器处信道状态信息质量的用户服务。这种大规模的连接问题以及对高吞吐量和服务质量异质性的要求，最近激发了人们对优化通信系统下行链路的多路接入的兴趣。

3、相比于4g，5g在数据的传输速率、时延、能量和开销方面提出更高的要求。为了满足这些要求，学术界提出了大规模天线技术、毫米波、非正交多址、速率分割多址等多种关键技术。其中，速率分割多址已经成为一种有前途的技术，可以为6g网络实现稳定、高数据率、低延迟。速率分割多址依靠带有连续干扰消除的线性预编码速率分配来解码部分干扰，并将剩余部分的干扰视为噪声。速率分割多址的这种部分解码干扰和部分将干扰作为噪声处理的能力使其能够有效的平衡完全解码干扰和将干扰作为噪声处理的两个极端，并为速率和服务质量的提高以及复杂性的降低提供了空间。三种多址方案进行了比较，大量的数值结果表明，速率分割多址提供了空分多址和非正交多址之间的平滑过渡，并在广泛的网络负载(欠载和超载制度)和用户部署(具有信道方向、信道强度和发射器上的信道状态信息质量的多样性)中都优于它们。此外，速率分割多址提供了比非正交多址更高的速率和服务质量，而且发射调度器和接收机的计算复杂度更低(串行干扰消除层的数量)。

4、速率分割多址技术作为一种有效的技术，提供了一个通用的多址接入框架。但在下行双用户传输的模式下，主用户和次级用户的解码率较低，其性能仍有待提高。

5、再加上，认知无线电在与速率分割结合后，由于速率分割本身的公私有信息分割加上认知无线电的主次用户的特性，当存在不受信任的内部用户时，可能出现诸如内部窃听等安全传输问题。速率分割多址作为空分多址和非正交多址的平滑过渡，拥有更加优异的性能，但结合多用户的部分信息的共有信号，也恶化了安全性问题。多用户中某一用户解码完共有信号后，解码其他用户的私有信号也会更加容易，从而造成安全性问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于解决现有技术中的一部分问题，或至少缓解这些问题。

2、一种基于认知速率分割多址网络内部窃听的可靠传输方法，包括如下步骤：

3、确立系统模型：基于认知无线电的下行多天线发送单天线接收的两用户速率分割多址系统，包含多天线的发射端s作为源节点和单天线的用户uk(k＝1,2)，分别为次级用户u1和主用户u2；

4、所述发射端s通过s-u1链路和s-u2链路发送导频序列，以估计通信网络内的信道状态信息，并拟定开关传输策略；

5、发射端s基于下行速率分割多址接入协议，将待发送给用户uk的信息转换为一个公共流sc和私有流sk(k＝1,2)；

6、发射端s将转换后的所有信息进行叠加编码，并采用拟定的所述开关传输策略将叠加信号发送给用户uk；

7、用户uk接收到发射端s发送的叠加信号后，基于串行干扰消除技术先解码公共流sc，再各自解码自己的私有流sk。

8、发射端s基于下行速率分割多址接入协议，将待发送给用户uk的信息转换为一个公共流sc和私有流sk(k＝1,2)后，还包括将所述公共流sc和私有流sk进行波束赋形方案设计。

9、进一步的，所述波束赋形方案设计为最大比率传输波束赋形方案设计，包括如下步骤：

10、发射端s对sc和s2进行面向主用户u2的最大比率传输波束赋形方案设计，以提升主用户的信道增益；

11、发射端s对s1进行面向次级用户u1的最大比率传输波束赋形方案设计。

12、发射端s基于下行速率分割多址接入协议，将待发送给用户uk的信息转换为一个公共流sc和私有流sk(k＝1,2)，包括如下步骤：

13、基于下行速率分割多址接入协议，发射端s将待发送给用户uk的信息分别分成一个共有信息wc,k和一个私有信息wp,k(k＝1,2)；

14、将次级用户u1和主用户u2的共有信息wc,1和wc,2合并成一个公共信息wc，并编码为一个公共流sc；

15、将次级用户u1和主用户u2的私有信息wp,1和wp,2分别编码为s1和s2的私有流。

16、进一步的，假设在发射端s的传输信号可以表示为：

17、

18、其中，pt为发射端s的发送功率，αc为公共流sc的功率分配系数，αk为私有流sk(k＝1,2)的功率分配系数，且αc+α1+α2＝1；wc∈cm×1是sc的预编码向量，wk∈cm×1是sk的预编码向量，并且||wc||2＝||wk||2＝1(k＝1,2)；cm×1为长m，宽1的行向量；

19、所述公共流sc的功率分配系数αc≥α1+α2。

20、用户uk接收到发射端s发送的信号后，基于串行干扰消除技术先解码公共流sc，再各自解码自己的私有流sk，包括如下步骤：

21、次级用户u1和主用户u2均基于串行干扰消除技术先将叠加信号中的私有流sk作为干扰剔除，解码公共流sc；

22、解码公共流sc后，串行干扰消除，将公共流sc从叠加信号中删除；

23、在删除公共流sc的叠加信号中，次级用户u1和主用户u2将非己方的私有流作为干扰剔除，分别对自己的s1和s2进行解码。

24、发射端s到用户uk的信道其中，dk表示发射端s到用户uk的距离，β表示距离为1m时的信道增益，r代表着路径损耗因子，是归一化复高斯分布向量，其中每个元素都是独立且同分布的；所述信道设置为独立同分布的瑞利衰落信道。

25、一种计算机可读存储介质，其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所述的基于认知速率分割多址网络内部窃听的可靠传输方法的步骤。

26、本发明具有如下有益效果：

27、1、提出一种融合认知无线电、速率分割多址接入、开关传输策略和波束赋形这四个技术的一种新型速率分割多址接入传输方案，保证系统高频谱效率的同时保证主用户一定能成功解码自己的信息，显著增加了系统的可靠性能；

28、2、将速率分割多址技术与下行双用户认知无线电系统相结合，相比于其他多址技术，使得次级用户借用主用户频段的性能更好，提高系统的传输速率；

29、3、在下行认知速率分割系统中加入开关传输策略，在主用户能够解码自身信号的时候进行传输，有效提升主用户的吞吐量；

30、4、对分割出的共有信息采取波束赋形技术，通过调整天线的辐射方向和强度，使得信号能够更加准确地传输到主用户处，利用天线的方向性，将信号集中在主用户方向上，从而减少信号的干扰和衰减，提高信号的传输距离和质量，提升主用户的吞吐量；对于两个私有信号，使天线方向对准各自用户，增大了主用户窃听次级用户信号的难度；并配合开关传输策略的中断性能，更提升了系统可靠性；

31、5、图2至图6的仿真图所得出的结论可以发现不同的参数对系统性能的影响，对参数变化提供了参考意义，同时也证明了系统的可行性。