用于绿色认知无线电安全能效最佳功率的分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线安全通信技术领域中的一种用于绿 色认知无线电安全能效最佳功率的分配方法。本发明可以根据次级用户平均发送功率和平 均干扰功率约束条件，从而能在各种衰落信道中快速获得最大安全能效情况下的安全能效 最佳功率分配。
【背景技术】
[0002] 移动设备爆发式增长及通讯业务需求日益多样，一方面造成现有固定频谱资源分 配方式下频谱资源稀缺问题，另一方面，移动设备所消耗的能量快速增加，排放大量的温室 气体。根据现有研究报道，信息通信技术每年消耗的能量占每年总能量消耗的2%到10%， 因信息通信技术每年排放的温室气体占全球每年温室气体排放的2 %。因此，构建环境友好 型通信技术是未来通信技术设计的发展趋势，也日益受到信息工业领域关注。近些年来，由 于绿色认知无线电不仅能提高频谱使用效率，而且能最大化系统能效，使得绿色认知无线 电成为当期研究热点。绿色认知无线电的主要思想是在已授权的频段内，在不影响主用户 正常通信的前提下，允许次级用户以最大能效的方式接入主用户频段进行通信，从而不仅 提高了频谱使用效率，而且达到使得认知无线网络能效最大化的目的。
[0003] 由于认知无线电具有开放和动态特性，导致认知无线电网络很容易受到非法用户 的恶意攻击，侦察和监听，甚至存在非法用户通过改变认知无线电网络周围环境，达到破坏 次级用户正常使用主用户频段进行通信的目的。因此，认知无线电安全问题至关重要，也日 益得到研究者的关注。基于传统的密钥安全通信技术，由于其实现复杂度很高，而且需要管 理密钥导致额外的开销，在认知无线电能量有限背景下，基于密钥安全通信技术使用受限。 作为一种新兴技术，自Wyner提出以来，基于物理层安全通信技术在无线安全通信中得到 广泛应用。基于物理层安全通信技术的原理是，利用无线通信信道特点，实现在物理层可靠 安全通信的目的。因此针对基于物理层安全认知无线电的研究，具有重要的研究价值和实 际研究意义。
[0004] 在绿色安全认知无线电中，由于认知无线电的优先性是保护主用户的服务质量。 因此，绿色认知无线电中，次级用户的发送功率有限。而且，根据现有研究，基于物理层安全 通信网络中，用户获得的安全容量受信道状态条件约束。因此，在安全绿色认知无线电中， 如何最佳的对次级用户功率进行分配，不仅能更好的保护好主用户的传输服务质量，同时， 能在最大化认知无线电网络安全能效的基础上，获得更高的安全容量。
[0005] D.W.K.Ng,E.S.Lo,andR.Schober等人在其发表的论文 "Energy-efficient resourceallocationforsecureOFDMAsystems'，（IEEETrans.Veh.Technol. ,vol. 61, no. 6,pp. 2572-2585,Jul. 2012.)中提出了一种物理层安全传统无线通信网络的安全能效 最佳功率分配方法。该方法在给定的功率约束条件下，通过中继辅助技术，根据信道状态信 息，去调整次级用户的发送功率和中继发送功率，达到最大化次级用户安全容量的目的。在 该分配策略中，次级用户的发送功率受信道状态信息，干扰功率约束条件的影响。该功率分 配方法存在的不足之处是：计算复杂度高且只适用于传统的无线网络，无法应用于实际的 认知无线电网络中。在认知无线电网络中，次级用户在进行功率分配时，必须考虑到对主用 户的干扰，以及主用户对次级用户和侦察用户的干扰。因此，传统的基于物理层安全能效最 佳功率分配方法不适用于认知无线电网络。
[0006] 东南大学提出的专利申请"认知无线电中基于干扰温度的信道与功率联合分配方 法"（申请号200910034228. 1申请公布号CN101635600A)中公开了一种以最大化系统容 量为基本目标的认知无线电功率分配方法。该方法在授权用户干扰温度及认知用户功率的 双重限制下，以最大化系统容量为基本目标，实现了信道与功率的联合分配，并且引入贫 困线来保证各个用户信道分配的公平。该功率分配方法存在的不足是：没有在信道模型中 引入窃听用户，只能实现系统容量最大化，无法保证在物理层实现安全可靠通信，无法应用 于安全认知无线电中。
[0007]N.Mokari,S.Parsaeefard,H.Saeedi,P.Azmi,andE.Hossain等人在其发表的论 文"Securerobustergodicuplinkresourceallocationinrelay-assistedcognitive radionetworks'，（IEEETrans.SignalProcess. ,vol. 63,no. 2,pp. 291-304,Jan. 2015.) 中提出了一种基于物理层安全认知无线电的最佳功率分配方法。该方法是在给定的约束条 件下，根据信道条件，通过调整次级用户发送功率，达到使得次级用户获得的历态安全容量 最大化的目标。该功率分配方法存在的不足之处是：没有考虑到次级用户获得的能效对功 率分配的影响，不能保证次级用户获得最大安全能效，导致能量利用率低下，排放更多的温 室气体，现有功率分配方法难以适用于在以能效最大化目标下的绿色认知无线电中。
【发明内容】
[0008] 本发明针对上述现有技术的不足，提出一种用于绿色认知无线电安全能效最佳功 率的分配方法，可以提高次级用户的安全能效和能量使用效率，并应用于安全认知无线电 中。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方法包括如下步骤 [0010] (1)设置功率分配参数：
[0011] (la)设置容错误差ζ，其取值范围为（0, 1);
[0012] (lb)设置次级用户安全能效的最大迭代次数Ν，其取值为所选用计算设备的容许 计数范围内大于10的正整数；
[0013] (2)初始化功率分配参数：
[0014] (2a)将次级用户安全能效的迭代次数初始化为1 ;
[0015] (2b)将subgradient迭代算法的迭代次数初始化为1 ;
[0016] (3)计算次级用户安全能效最佳发送功率的真实值：
[0017] (3a)按照下式，计算功率比值系数：
[0018]
[0019]其中，a。表示初始化的功率比值系数，μ°表示初始化的平均干扰功率约束对应的 拉格朗日乘子，其值为〇. 1，λ°表示初始化的平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子，其值 为0.1，gsp表示次级用户发送端到主用户接收端信道功率增益，ηnl表示次级用户第n-1 次迭代时次级用户安全能效，η表示次级用户安全能效的迭代次数，η= 1，2, 3, ...，N，N表 示次级用户安全能效的最大迭代次数，β表示次级用户发送机的功率放大因子，1η2表示2 的自然对数；
[0020] (3b)按照下式，计算次级用户发送端到接收端的功率增益比例系数：
[0021]
[0022] 其中，丫s彦示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，gV表示次级 用户发送端s到接收端r的信道功率增益，<表示次级用户接收端r受到主用户干扰和加 性噪声之和的噪声方差；
[0023] (3c)按照下式，计算次级用户发送端到监听用户接收端的功率增益比例系数：
[0024]
[0025] 其中，丫se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，gse表 示次级用户发送端s到监听用户接收端e的信道功率增益，g表示监听用户接收端e受到 主用户干扰和加性噪声之和的噪声方差；
[0026] (3d)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值：
[0027]
[0028] 其中，if表示第η次迭代的次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值，η表示次 级用户安全能效的迭代次数，η= 1，2, 3, ...，Ν，Ν表示次级用户安全能效的最大迭代次数， a。表示初始化的功率比值系数，γ表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系 数，Ys彥示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，#表示平方根 操作；
[0029] (3e)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的真实值：
[0030]
[0031] 其中，if表示第η次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的真实值，校表示第η 次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值，η表示次级用户安全能效的迭代次数，η= 1，2, 3, ...，Ν，Ν表示次级用户安全能效的最大迭代次数，| · |表示绝对值操作；
[0032] (4)计算拉格朗日乘子：
[0033] 利用subgradient迭代算法，计算平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子μk 和平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子λk;
[0034] (5)计算次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值：
[0035](5a)按照下式，计算功率比值系数：
[0036]
[0037] 其中，ak表示第k次迭代时功率比值系数，μ1<表示使用subgradient迭代算法第 k次迭代时平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子，λ'表示使用subgradient迭代算法 第k次迭代时平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子，k表示subgradient迭代算法的 迭代次数，k= 1，2, 3,. . . .，K，K表示所选用计算设备的容许计数范围内的最大正整数，gsp 表示次级用户发送端到主用户接收端信道功率增益，nn1次级用户第n-1次迭代时获得的 次级用户安全能效，η表示次级用户安全能效的迭代次数，η= 1，2, 3, ...，N，N表示次级