保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，属于无 线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于无线通信网络，频谱资源是珍贵且有限的资源，但随着无线通信技术的发展， 频谱资源的需求也随之加大，现有的固定频谱分配策略越来越不适用。为了提高频谱利用 率、缓解频谱需求，认知无线电概念应运而生。认知无线电网络支持不同的共存模式来实现 频谱共用，其中之一即为频谱共享模式，具体为认知无线电网络允许次要用户和主要用户 同时使用相同频段，但是次要用户发射端需要调整发射功率，W保证对主要用户接收端的 干扰功率不超过其能容忍的口限值。
[0003] 无线传输媒介的开放性使得信道易于被窃听，因此对于任何无线通信系统，安 全问题的考量都是不可避免的。近年来，物理层安全技术随着无线通信系统物理层资源 的日益丰富不断发展，认知无线电网络的安全问题也逐渐成为关注的热点，"Achievable SecrecyCapacityinanUnderlayCo即itiveRadioNetwork"(频谱共享模式认知无 线电网络的保密容量研究）【2014IE邸ConferenceonCommunicationsandNetwork Se州rity(CN巧，Oct. 2014,pp. 1-6.】一文就解决了一个单入多出频谱共享模式认知无线电 网络的保密容量计算问题。
[0004] 多元化的QoS(服务质量）要求同安全问题一样，在新一代无线通信网络传输中起 着至关重要的作用。对于许多对时延敏感的多媒体应用中，时延保证是一个非常有意义的 QoS参数。事实上，由于衰落信道的时变性，统计时延QoS约束比确定性时延QoS约束更适 用于上述多媒体应用。"EffectivecapacityanalysisofC0即itiveradiochannels forqualityofserviceprovisioning"(认知无线电信道中基于QoS保证的有效容量分 析）【IE邸Trans.WirelessCommun.,vol. 9,no.11,PP. 3354-3364,Nov. 2010.】就曾借助 有效容量模型该一研究无线传输统计QoS性能的有效技术，探讨了基于统计时延QoS约束 条件下认知无线电系统的性能，但是，它并没有考虑如何同时保证系统的安全性。
[000引专利CN103826219A曾于2014年5月28日公布了一种保证时延QoS要求的保密系 统功率分配方法，该发明方法提出了安全有效容量的概念，并W安全有效容量模型为基础， 通过跨层联合优化实现了在满足不同时延QoS限制下，传统H节点保密系统的性能最优W 及资源利用的最大化。但是现有的文献中还没有探讨过如何在认知无线电网络中兼顾系统 安全性与时延QoS要求的方法。
【发明内容】
[0006] 为了弥补现有研究存在的不足，本发明提供了一种保证时延QoS要求的安全认知 无线电网络功率分配方法。本发明从功率高效使用的角度，借助安全有效容量模型，在安全 认知无线电网络中通过跨层联合优化实现了用户服务质量的需求，并且能自适应地调整发 射功率w减少功率浪费，达到高效利用有限的物理层资源的目标。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] -种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，由W下通信系统来 实现，该系统包括次要用户发射端、次要用户接收端、主要用户接收端、窃听端四个通信节 点，通信机制为认知无线电网络频谱共享模式，即次要用户发射端向次要用户接收端发送 信号，窃听端在该个过程中对信号进行窃听，同时次要用户发射端发射的信号会对主要用 户接收端造成一定的功率干扰，在平均发射功率与平均/峰值干扰功率限制条件下，物理 层根据信道状态的变化W及上层用户QoS的要求进行动态功率分配，使得通信系统在能够 保证时延QoS的前提下完成保密通信，该方法具体步骤如下：
[0009] 1)在不考虑时延QoS时计算安全认知无线电网络的瞬时保密速率
[0010] 设次要用户发射端与主要用户接收端之间的信道为主要信道，次要用户发射端与 次要用户接收端之间的信道为次要信道，次要用户发射端与窃听端之间的信道为窃听信 道，gp、醉和ge分别是主要信道、次要信道和窃听信道的瞬时信道功率增益，P是次要用户发 射端的瞬时发射功率，当g,>g。，即次要信道的信道状态优于窃听信道的信道状态时，次要 用户发射端与次要用户接收端之间可W进行保密通信，瞬时保密速率氏。。根据下式计算：
[0011]
【主权项】
1. 一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，由以下通信系统来实 现，该系统包括次要用户发射端、次要用户接收端、主要用户接收端、窃听端四个通信节点， 通信机制为认知无线电网络频谱共享模式，即次要用户发射端向次要用户接收端发送信 号，窃听端在这个过程中对信号进行窃听，同时次要用户发射端发射的信号会对主要用户 接收端造成一定的功率干扰，在平均发射功率与平均/峰值干扰功率限制条件下，物理层 根据信道状态的变化以及上层用户QoS的要求进行动态功率分配，使得通信系统在能够保 证时延QoS的前提下完成保密通信，该方法具体步骤如下： 1) 在不考虑时延QoS时计算安全认知无线电网络的瞬时保密速率 设次要用户发射端与主要用户接收端之间的信道为主要信道，次要用户发射端与次要 用户接收端之间的信道为次要信道，次要用户发射端与窃听端之间的信道为窃听信道，gp、 分别是主要信道、次要信道和窃听信道的瞬时信道功率增益，P是次要用户发射端的 瞬时发射功率，当gs>g即次要信道的信道状态优于窃听信道的信道状态时，次要用户发 射端与次要用户接收端之间可以进行保密通信，瞬时保密速率根据下式计算： Rsec=log2(l+gsP)-log2(l+geP) (1) 2) 计算基于时延QoS的安全有效容量 安全有效容量是一个描述保密系统系统吞吐量的参量，其基本表达式为
其中0为时延QoS指数，运算符号E表示对大括号内部分求数学期望，将（1)式所得 的瞬时保密速率1?_代入（2)式即可得安全认知无线电网络的安全有效容量E_(0)，其表 示式如下：
其中次要用户发射端的瞬时发射功率P是e，gp，^和ge的函数，故在下面的描述中将p写为p(9，gP，gs，ge)的形式，也就是物理层能够根据信道状态的变化及上层不同的QoS限 制调整发射功率分配； 3) 确定优化问题 以安全有效容量为目标函数，功率限制条件为约束条件，构造如下优化问题：
其中主要信道，次要信道和窃听信道的信道功率增益gp，^和^均是随机变量，（4) 式中的subjectto符号及其后面的式子表示为约束式，subjectto表示为约束符号，符 号maximize表示求最大值符号，（4)式表示在约束式中对次要用户发射端的瞬时发射功 率P( 9，gP，gs，&)进行平均限制，对次要用户发射端在主要用户接收端所造成的干扰功率 gPP( 9，gP，gs，&)进行平均/峰值限制的条件下，通过优化次要用户发射端的瞬时发射功率 求解目标函数即符号maximize:后的表达式的最大值，在给定0 >0时，基 于函数l〇g( ?)的单调递增性，安全有效容量的最大化问题可以等效为如下最小化问题，该 最小化问题在下面的描述中也称为原问题：
其中P为次要用户发射端的发射功率均值阈值，g和Qpk分别表示次要用户发射端在 主要用户接收端所造成的干扰功率均值阈值和峰值阈值，该原问题表示在（5)式约束式中 对次要用户发射端的瞬时发射功率P(e，gp，gs，gj进行平均限制，对次要用户发射端在主 要用户接收端所造成的干扰功率gpp(e，gp，gs，ge)进行平均/峰值限制的条件下，通过优化 次要用户发射端的瞬时发射功率P( 0，gp,gs,ge)求解目标函数即符号minimize:后的表达 式的最小值，符号minimize表示求最小值符号； 4)求解原问题 通过证明可知，上述原问题的目标函数是凸的，发射功率及干扰功率限制条件也是凸 的且关于P(e，gp，gs，ge)是线性的，因此该原问题的最优解是唯一的，凸优化理论中的拉格 朗日对偶理论指出，原最小化问题即原问题可与一个最大化问题即对偶问题建立关联性， 在得到对偶问题之前，首先给出原问题的对偶函数为
其中Ai是与次要用户发射端的平均发射功率限制条件相关的对偶因子，A2是与次 要用户发射端在主要用户接收端所造成的平均干扰功率限制条件相关的对偶因子，A3是 与次要用户发射端在主要用户接收端所造成的峰值干扰功率限制条件相关的对偶因子，令 入OOi，入2，入3)T，其中运算符号0表不定义，运算符号（)T表不对括号内部分的向量的转 置，对偶函数对应的对偶问题如下：
(7) subjectto:入>0 该对偶问题表示在对偶因子A>〇的约束条件下，通过优化A求解目标函数即对偶 函数D(A)的最大值；通过验证可知原问题具有强对偶性，故原问题（5)式的最优解可通过 求解对偶问题（7)式而得到，对于对偶问题，可借助子梯度下降迭代算法求解最优的对偶 因子入％入 #的求解过程具体如下： a) 设置初始迭代次数t= 0,对偶因子初始值XJO)，X2(〇)和X3(〇)均为非负实数； b) 当迭代次数为t时，用入⑴表示当前更新的对偶因子，x2(t)， A3(t))T，基于当前对偶因子入（t)求解对偶函数公式（6)，得到迭代次数为t时对应的次 要用户发射端最优发射功率P(A(t)); c) 采用如下三式更新对偶变量：
入 3 (t+1)=[入 3 (t) +a(t) (gpP〇 ⑴）_Qpk) ] + (10) 其中符号[]+表示□中的部分取非负值，a(t)为迭代步长； d) 令;T=(〇+l)〇flU%+l)y，若^满足预定义的数据精度，则输出最优对偶 因子A%否则，令t=t+1，跳转至步骤b)，继续迭代，直到满足预定义的数据精度； 5)求对应延时QoS指数0下的最大安全有效容量 将步骤4)中所得的最优对偶因子A#代入对偶函数公式（6)可得次要用户发射端的 瞬时发射功率最优解，在将次要用户发射端的瞬时发射功率最优解带入安全有效容量公式 (3)即可得对应时延QoS指数0下的最大安全有效容量。
【专利摘要】保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，属于无线通信技术领域。本发明以存在窃听信道的安全认知无线电网络为系统模型，以认知无线电网络的频谱共享模式为通信机制，在安全有效容量跨层模型的基础上，首先规划了受发射功率和干扰功率限制且最大化安全有效容量的优化问题，并通过拉格朗日对偶理论求得最优的对偶因子，进而求得最优的发射功率，实现最优功率分配。该最优功率分配方法不但使得安全认知无线电网络满足了上层用户服务质量(时延QoS)的要求，更实现了系统安全性能的最优和物理层资源利用的高效化，具有重要的理论及现实意义。
【IPC分类】H04W16-14, H04W52-34
【公开号】CN104703191
【申请号】CN201510135169
【发明人】马丕明, 马柳青, 马艳波
【申请人】山东大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月26日