本發(fā)明提供一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法，屬于無(wú)線傳輸領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于互聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的高度普及(比如智能手機(jī)、平板電腦等)，極大地促進(jìn)了高速率多媒體無(wú)線服務(wù)的快速發(fā)展，這使得移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商必須在下一代5g無(wú)線通信中提供更高的容量和更廣的覆蓋范圍。通過(guò)增加小區(qū)密度獲得更高的空間頻譜復(fù)用是一種十分有效的解決手段。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(hcn,heterogeneousnetwork)由于可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋和更高的數(shù)據(jù)速率，成為一種前景廣闊的網(wǎng)絡(luò)密集化構(gòu)架，并引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，布置的微小區(qū)共享已存在的宏小區(qū)的頻譜資源，在增大頻譜效率的同時(shí)也帶來(lái)了層間干擾。另外，微小區(qū)基站由于距離移動(dòng)終端較近所以發(fā)射功率通常比宏小區(qū)基站小很多。

眾所周知，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一種多個(gè)終端具有不同屬性的多層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)固有的開(kāi)放性以及無(wú)線信道的廣播特性，使得網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線信息極容易被竊聽(tīng)。為此，物理層安全的提出被視為一種極為有效的解決手段。通過(guò)利用物理信道例如噪聲和干擾的隨機(jī)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)安全傳輸，物理層安全已被證實(shí)能夠大幅度提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線安全性能。

隨著5g網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，所需的能耗也大大增加，同步無(wú)線信息和功率傳輸(swipt,simultaneouswirelessinformationandpowertransfer)被認(rèn)為是為能量受限的無(wú)線系統(tǒng)供能的一種有效方法。相比傳統(tǒng)的風(fēng)能、太陽(yáng)能等自然能源，能量接收機(jī)可以從周圍環(huán)境的射頻信號(hào)中獲取能量。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用swipt可以有效地避免低能無(wú)線電池的頻繁充電和更換。另外，部署微小區(qū)之后，移動(dòng)設(shè)備與其服務(wù)基站之間采用短距離通信方式，使得移動(dòng)設(shè)備可以更加高效地獲取能量。

由于功率靈敏度對(duì)能量接收端和信息接收端的要求不同，能量接收機(jī)相較于信息接收機(jī)有更好的信道條件，因此能量接收機(jī)可以竊聽(tīng)基站傳輸給信息接收機(jī)的機(jī)密信息。如何在無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)安全傳輸是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法，在無(wú)線攜能的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，部署有宏小區(qū)基站(mbs,macrocellbasestation)和微小區(qū)基站(fbs,femtocellbasestation)，mbs服務(wù)m個(gè)宏小區(qū)用戶(mus,macrocellusers)，fbs服務(wù)k+1個(gè)微小區(qū)用戶(fus，femtocellusers)，fus包括信息接收機(jī)(ir)和能量接收機(jī)(ers)兩類，ers會(huì)竊聽(tīng)fbs發(fā)送給ir的機(jī)密信息，并從周圍環(huán)境的射頻信號(hào)中獲取能量；所述安全傳輸方法包括：fbs發(fā)送數(shù)據(jù)中包含承載信息的數(shù)據(jù)符號(hào)si以及與si相互獨(dú)立的人工噪聲以及mbs發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)sm給mus。

進(jìn)一步地，所述人工噪聲同時(shí)干擾所述ir和ers；所述信息接收機(jī)ir有1個(gè)，能量接收機(jī)ers有k個(gè)；所述fbs配備有nf根天線，所述mbs配備有nm根天線，fbs的天線和mbs的天線共享一樣的頻譜資源；所述fbs通過(guò)天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)fbs天線的波束形成矢量在所述mus端，視該fbs天線發(fā)送數(shù)據(jù)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的層間干擾；所述mbs通過(guò)天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)mbs天線的波束成形矢量在所述fus端，視mbs天線發(fā)送數(shù)據(jù)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的層間干擾。

進(jìn)一步地，從所述mbs到第m個(gè)宏小區(qū)用戶mum的信道參數(shù)、從mbs到ir的信道參數(shù)、從mbs到第k個(gè)能量接收機(jī)erk的信道參數(shù)、從fbs到ir之間的信道參數(shù)、從fbs到erk的信道參數(shù)、從fbs到mum的信道參數(shù)都相互獨(dú)立。

進(jìn)一步地，所述方法還包括調(diào)整優(yōu)化參數(shù)人工噪聲的協(xié)方差矩陣ve、波束形成矢量和的步驟，使得在所述無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的總發(fā)射功率限制和能量獲取限制的條件下，ir端的最小安全通信速率最大化，所述最小安全通信速率是指ir端通信速率ci與竊聽(tīng)信號(hào)的多個(gè)能量接收機(jī)中的最大通信速率之差。

進(jìn)一步地，所述調(diào)整優(yōu)化參數(shù)人工噪聲的協(xié)方差矩陣ve、波束形成矢量和的步驟采用一階泰勒展開(kāi)和連續(xù)凸近似算法實(shí)現(xiàn)。其中所述調(diào)整優(yōu)化人工噪聲的協(xié)方差矩陣ve、波束形成矢量和的步驟采用凸優(yōu)化中的迭代算法實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，本發(fā)明提供了一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)中部署有宏小區(qū)基站mbs和微小區(qū)基站fbs，mbs服務(wù)m個(gè)宏小區(qū)用戶mus，fbs服務(wù)k+1個(gè)微小區(qū)用戶fus，fus包括信息接收機(jī)ir和能量接收機(jī)ers兩類，ers會(huì)竊聽(tīng)fbs發(fā)送給ir的機(jī)密信息；fbs發(fā)送數(shù)據(jù)中包含承載信息的數(shù)據(jù)符號(hào)si以及與si相互獨(dú)立的可調(diào)控的人工噪聲mbs發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)sm給mus。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)采用上面所述的無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明能獲得以下有益效果：

1.本發(fā)明是一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方案，與現(xiàn)有的物理層安全傳輸方案相比，采用了適用于下一代5g無(wú)線通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在傳輸過(guò)程中，為能量接收機(jī)提供能量，為信息接收機(jī)提供信息，并在能量接收機(jī)竊聽(tīng)信息的場(chǎng)景下，為信息接收機(jī)提供最大的安全傳輸速率。

2.本發(fā)明所述方法采用能量和信息同時(shí)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，避免了頻繁地充電和更換無(wú)線設(shè)備的電池，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的壽命，實(shí)現(xiàn)綠色通信。

3.本發(fā)明所述方法能夠在通信過(guò)程中滿足每個(gè)宏小區(qū)用戶的sinr要求，在系統(tǒng)總發(fā)射功率限制和能量獲取限制的條件下，找到信息接收機(jī)最大的安全通信速率，保障系統(tǒng)的正常通信。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法及系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法在不同隨機(jī)信道實(shí)現(xiàn)下的收斂性對(duì)比圖；

圖3為本發(fā)明提出的一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法在發(fā)射功率門限下與其他方案的保密速率性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明考慮的場(chǎng)景如圖1所示，一種無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸方法及系統(tǒng)構(gòu)建如下：在無(wú)線攜能的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，部署了宏小區(qū)基站(mbs,macrocellbasestation)和微小區(qū)基站(fbs,femtocellbasestation)；微小區(qū)基站服務(wù)k+1個(gè)微小區(qū)用戶(fus，femtocellusers)，宏小區(qū)基站服務(wù)m個(gè)宏小區(qū)用戶(mus,macrocellusers)。為了提高頻譜效率，兩者共享一定的頻譜資源。宏小區(qū)基站配備了nm≥m根發(fā)射天線，微小區(qū)基站配備了nf≥k+1根發(fā)射天線，小區(qū)中的每個(gè)用戶均為單接收天線。本發(fā)明假定，微小區(qū)基站可以傳送無(wú)線能量，微小區(qū)中存在兩類用戶分別為一個(gè)信息接收機(jī)和k個(gè)能量接收機(jī)，微小區(qū)基站只考慮k個(gè)能量接收機(jī)通過(guò)射頻信號(hào)獲取能量的情況，k個(gè)能量接收機(jī)被認(rèn)為會(huì)竊聽(tīng)微小區(qū)基站發(fā)送給信息接收機(jī)的機(jī)密信息。

具體地，fbs服務(wù)3個(gè)fus，即一個(gè)信息接收機(jī)和2個(gè)能量接收機(jī)，配備了nf＝4根發(fā)射天線；mbs服務(wù)2個(gè)mus，配備了nm＝4根發(fā)射天線。表示宏小區(qū)用戶mus的集合，表示能量接收機(jī)ers的集合，宏小區(qū)中第m個(gè)宏小區(qū)用戶表示為mum，微小區(qū)第k個(gè)能量接收機(jī)表示為erk；從宏小區(qū)mbs到mum的信道參數(shù)，從mbs到信息接收機(jī)ir的信道參數(shù)和從mbs到erk的信道參數(shù)分別表示為hm，hi,0和gk,0；從微小區(qū)基站fbs到信息接收機(jī)ir之間的信道參數(shù)為hi，從fbs到erk的信道參數(shù)為gk，從fbs到mum的信道參數(shù)為lm；所有信道參數(shù)相互獨(dú)立，各元素均為獨(dú)立同分布的復(fù)高斯隨機(jī)變量。

首先，微小區(qū)基站發(fā)送數(shù)據(jù)給信息接收機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)安全傳輸并且在ers端實(shí)現(xiàn)能量獲取，fbs為了防止ers的竊聽(tīng)，采用人工噪聲輔助的波束成形方案，因此發(fā)送信號(hào)矢量可以表示為

式中si表示承載信息的數(shù)據(jù)符號(hào)，表示波束成形矢量；因此，承載著發(fā)送給ir的機(jī)密信息。為了不失一般性，我們?cè)O(shè)定表示發(fā)送信號(hào)的功率為1，上標(biāo)t表示矢量的轉(zhuǎn)置。為均值為0，方差為ve的復(fù)高斯隨機(jī)變量，表示由fbs發(fā)出了承載能量的人工噪聲矢量，與si相互獨(dú)立；人工噪聲矢量會(huì)同時(shí)干擾ir和ers；

接著，宏小區(qū)基站mbs發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)給宏小區(qū)中第m個(gè)宏小區(qū)用戶mum。

設(shè)為宏小區(qū)基站mbs向宏小區(qū)中的用戶mum發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)，為相應(yīng)的波束成形矢量，則mum接收到的信號(hào)為

其中，上標(biāo)h表示矢量的共軛轉(zhuǎn)置，表示mum端的加性高斯白噪聲，式(2)中的第一項(xiàng)為mum預(yù)期的信號(hào)，第二項(xiàng)為宏小區(qū)中其他用戶的干擾，最后兩項(xiàng)為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的層間干擾和背景噪聲。

為了便于分析，宏小區(qū)用戶均采用單用戶檢測(cè)，即層間干擾和層內(nèi)干擾都被當(dāng)作背景噪聲的一部分，因此，mum端的信號(hào)和噪聲干擾比(sinr，signaltointerferenceplusnoiseratio)可以表示為

由于ers會(huì)竊聽(tīng)fbs發(fā)送給ir的機(jī)密信號(hào)因此ir和erk收到的信號(hào)分別為：

其中，ni和ne,k分別表示ir端和erk端的加性高斯白噪聲，其方差分別為和通過(guò)式(4)和式(5)可以看出，ir和ers除了受到背景噪聲的干擾，還有來(lái)自mus的干擾。

可以得到無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)本系統(tǒng)的總傳輸功率為：

其中tr(·)表示矩陣的跡。erk端獲取的能量為:

其中，ξ∈(0,1]為能量轉(zhuǎn)換效率，表示將采集的能量轉(zhuǎn)換為電能時(shí)存在的損失。根據(jù)式(4)和式(5)表示的接收信號(hào)，給定則可達(dá)到的瞬時(shí)保密通信速率為：

其中，[x]⁺＝max{x,0}，和分別為ir端和erk端可達(dá)到的通信速率，可以分別表示為：

由于fbs和mbs共享一樣的頻譜資源，所以存在層間干擾會(huì)降低ir和erk接受信號(hào)的質(zhì)量，但是同時(shí)也對(duì)erk有益，因?yàn)閑rk可以從層間干擾中獲取能量。因此，需要謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)安全波束成形方案，在對(duì)ir影響最小的情況下降低erk的信道質(zhì)量。在這種情況下，我們進(jìn)行波束成形矢量和人工噪聲協(xié)方差矩陣ve的聯(lián)合優(yōu)化，在滿足每個(gè)mu的sinr要求，系統(tǒng)總發(fā)射功率限制和能量獲取限制的條件下，找到ir最大的安全通信速率，此優(yōu)化問(wèn)題可以表示為:

ptot≤pth,(11c)

ve≥0.(11e)

其中，γm為mum的sinr要求，pth表示最大發(fā)射功率閾值，qk表示在erk端規(guī)定的獲取的能量值；

設(shè)公式(11a)～(11e)的求解為問(wèn)題(11)，這是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。由于優(yōu)化問(wèn)題(11)的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成了兩個(gè)凸函數(shù)的差值，所以此優(yōu)化問(wèn)題是非凸問(wèn)題，由于過(guò)高的計(jì)算復(fù)雜度，采用一般的優(yōu)化方案很難解決此問(wèn)題；

下面利用一階泰勒展開(kāi)和sca(successiveconvexapproximation，連續(xù)凸近似)技術(shù)近似優(yōu)化問(wèn)題(11)。

為了簡(jiǎn)化表示，我們假定通常假設(shè)mbs和fbs知道所有接收機(jī)的信道狀態(tài)指示(csi，channelstatusindicator)；首先定義新矩陣：和滿足rank(wm)≤1和rank(wi)≤1，其中rank(·)表示矩陣的秩；當(dāng)wm≠0時(shí)，rank(wm)＝1；當(dāng)wi≠0時(shí)，rank(wi)＝1；引入實(shí)值松弛變量γi和γe，松弛變量x1，x2，x3，x4k，x5k，x6k，輔助變量v1,v2,u1k,u2k；定義新矩陣定義和分別為下面步驟提到的迭代算法中變量x2，x3，x4k和γe第[n-1]次迭代后的結(jié)果，通過(guò)利用一階泰勒級(jí)數(shù)在和上的展開(kāi)，問(wèn)題(11)可以轉(zhuǎn)化為：

tr(hiwi)≥v1(12c)

tr(gkwi)≤u1k(12e)

設(shè)公式(12a)～(12o)的求解為問(wèn)題(12)。問(wèn)題(12)是一個(gè)凸問(wèn)題，可以使用凸優(yōu)化方法解決。

作為優(yōu)選，采用迭代算法解決問(wèn)題(12)的具體步驟如下：

步驟1、根據(jù)問(wèn)題(12)初始化并設(shè)置n＝0；

步驟2、根據(jù)解決凸問(wèn)題(12)，獲得最優(yōu)值

步驟3、更新并令n＝n+1；

步驟4、直到滿足輸出最優(yōu)解的結(jié)果，其中ε為算法的收斂容差；

至此，完成無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸。

本方法在最大發(fā)射功率閾值pth＝40dbm條件下，多種隨機(jī)信道實(shí)現(xiàn)下的收斂性能，仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯鑫覀兲岢龅姆椒軌蛟趦H僅4次迭代后就有效收斂到穩(wěn)定點(diǎn)，表示該算法收斂速度快，因而計(jì)算復(fù)雜度低。

如圖3所示是本發(fā)明提出的方案、正交策略方案、無(wú)人工噪聲方案以及無(wú)保密方案的可達(dá)到的安全速率的性能對(duì)比?？梢钥闯?，提出的方案在不同的發(fā)射功率下性能總是優(yōu)于其他三種方案。這表示添加人工噪聲可以提高信息接收機(jī)的安全傳輸性能。而且，隨著最大發(fā)射功率閾值的增加，本發(fā)明提出的無(wú)線攜能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到的安全速率隨之增大。