一种面向物理层安全的共生无线电通信系统鲁棒优化方法

本发明属于移动通信，涉及共生无线电，具体涉及一种面向物理层安全的共生无线电通信系统鲁棒优化方法。

背景技术：

1、由于共生无线电能够在提升频谱效率和网络容量的同时，缓解主次用户间的同频干扰问题，该技术是第六代物联网领域应用的关键应用核心技术。资源分配可以通过发射系数的调整、传输时间和传输功率的分配，从而使得该系统的吞吐量达到最大。

2、由于在共生无线电网络中，反向散射设备的无源特性和主发射机的广播特性，导致网络中的设备较难估计出完美的信道状态信息，并且还可能存在保密信息遭到窃听情况。然而，在现有的资源分配策略中，通常忽略了存在信道扰动和信息安全这两种情况，导致在实际的通信网络下，会出现设备传输发生中断以及信息安全问题。因此，亟需一种能够通过在存在信道不确定性和窃听设备的共生无线电网络场景下进行吞吐量优化与资源管理的方法，来解决上述问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向物理层安全的共生无线电通信系统鲁棒优化方法，针对共生无线电传输系统遭窃听设备窃听导致信息安全遭到威胁和信道不确定性导致传输链路不稳定的问题，考虑反向散射设备传输时间/反射系数、主基站最大发射功率、所有链路信道不确定性、主基站和反向散射设备最小安全速率等约束，以最大化系统总吞吐量为优化目标，对面向物理层安全的共生无线电系统建立网络模型。利用最坏准则、拉格朗日对偶、交替优化和变量替换等方法将原不确定性非凸问题转化为确定性凸优化问题求解。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向物理层安全的共生无线电通信系统鲁棒优化方法，具体包括以下步骤：

4、s1：初始化面向物理层安全的共生无线电系统的参数；

5、所述面向物理层安全的共生无线电系统包括一个信息接收机、k个反向散射设备、一个窃听设备和一个主基站，所有设备均配备单根天线；主基站向信息接收机发送信号；反向散射设备以时分多址接入方式，将其信息调制到入射信号上并发射给信息接收机；窃听设备同时窃取主基站和反向散射设备的信息。

6、s2：根据反向散射设备传输时间和反射系数、主基站最大发射功率、所有链路信道不确定性、主基站和反向散射设备安全速率等约束，以面向信息安全的共生无线电系统的总吞吐量最大化为优化目标构建基于信道不确定性的资源分配模型；

7、s3：利用最坏准则法、拉格朗日对偶理论、交替优化法和变量替换等方法将基于信道不确定性的资源分配模型转换为确定性凸优化问题模型求解，从而得到最优的总吞吐量。

8、进一步，步骤s1中，所述面向物理层安全的共生无线电系统的参数包括：反向散射设备个数k、一个时隙内反向散射设备符号个数n、扩频因子l、时间帧长度t、信息接收机处的噪声方差σ2、窃听设备处的噪声方差时隙k内信息接收机的最小速率时隙k内反向散射设备的最小速率时隙k内窃听设备的最大速率主基站的最大发射功率pmax、面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量q、最大迭代次数dmax、收敛精度ω和迭代次数d。

9、进一步，步骤s2中，构建的基于信道不确定性的资源分配模型为：

10、

11、

12、

13、

14、c4:0≤βk≤1,

15、

16、

17、

18、其中，pk表示在时隙k内主基站的发射功率，tk表示反向散射设备k的传输时间，βk表示反向散射设备k的反射系数，rk(δh,δfk,δgk)表示包含参数不确定项的时隙k内主基站的速率，表示包含参数不确定项的反向散射设备k的速率，表示包含参数不确定项的时隙k内窃听设备的速率，δh表示主基站到信息接收机链路的估计误差，δfk表示主基站到反向散射设备k链路的估计误差，δgk表示反向散射设备k到信息接收机链路的估计误差，δh表示主基站到窃听设备链路的估计误差，δqk表示反向散射设备k到窃听设备链路的估计误差，表示信道不确定性。

19、进一步，步骤s3中，将基于信道不确定性的资源分配模型转换为确定性凸优化问题模型，具体为：

20、

21、

22、

23、

24、c4-c6

25、其中，为辅助变量，表示主基站k到信息接收机链路的信道估计值，ε表示主基站k到信息接收机链路的信道估计误差上界，表示主基站到反向散射设备k链路的信道估计误差上界，∈k表示反向散射设备k到信息接收机链路的信道估计误差上界，表示反向散射设备k到信息接收机链路的信道估计值，表示主基站到反向散射设备k链路的信道估计值；表示主基站到窃听设备链路的信道估计值，δ表示主基站到窃听设备链路的信道估计误差上界，表示反向散射设备k到窃听设备链路的信道估计误差上界，表示反向散射设备k到窃听设备链路的信道估计值。

26、进一步，步骤s3具体包括以下步骤：

27、s31：固定反向散射设备k的传输时间tk和在时隙k内主基站的发射功率pk，利用最坏准则法、拉格朗日对偶理论和交替优化法将不确定性非凸优化问题模型转化为确定性凸优化问题模型，计算得到反向散射设备k的反射系数βk；

28、s32：固定βk，利用最坏准则法、交替优化法和变量替换法将不确定性非凸优化问题模型转化为确定性凸优化问题模型，计算得到tk和pk；

29、s33：基于tk、pk和βk，更新面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量q；

30、s34：判断面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量是否收敛；若是，输出最优的面向物理层安全的共生无线电系统的最优总吞吐量q*，然后结束；否则，进入s35；

31、s35：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数；若是，输出q*，然后结束，否则，更新当前迭代次数d，然后进入下一次迭代，返回s31。

32、进一步，步骤s31中，计算反向散射设备k的反射系数βk的表达式为：

33、

34、其中，[x]+＝max(0,x)表示取大于0的x，

35、进一步，步骤s32中，计算反向散射设备k的传输时间tk和在时隙k内主基站的发射功率pk的表达为：

36、

37、

38、

39、

40、

41、其中，

42、进一步，步骤s33中，更新面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量q为：

43、

44、进一步，步骤s34中，判断面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量是否收敛，具体为：当第d次迭代面向物理层安全的共生无线电系统的总吞吐量满足|q(d)-q(d-1)|≤ω时，则收敛，反之不收敛。

45、本发明的有益效果在于：本发明能够有效提升信息传输安全性，同时降低设备的传输中断概率。与现有的鲁棒方法、非鲁棒安全方法和非鲁棒方法相比，本发明方案具有较强的鲁棒性和较高的安全速率，提高了共生无线电网络的鲁棒性和安全性。

46、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。