本發(fā)明涉及一種計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法，屬于移動(dòng)通信無線資源調(diào)度策略設(shè)計(jì)及物理層安全領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

設(shè)備間通信（Device-to-device Communications, D2D）是一種允許本地距離較近的終端之間直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)。在現(xiàn)存的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)基站控制下，通過復(fù)用小區(qū)正處于通信狀態(tài)的CUE的資源，可以極大地增加小區(qū)內(nèi)整體的頻譜效率，同時(shí)降低直接通信的DUE終端發(fā)射功率，這在一定程度上解決了移動(dòng)通信系統(tǒng)無線頻譜資源匱乏的難題。與傳統(tǒng)的WiFi和藍(lán)牙等技術(shù)相比較，設(shè)備間通信設(shè)備工作在許可頻段，這就保證通信的可靠性，提升用戶的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)還可以采用靈活的資源分配策略達(dá)到有效抑制同頻干擾的目的。盡管設(shè)備間通信具備上述優(yōu)點(diǎn)，但是這種在同頻段同時(shí)傳輸CU和DU信號(hào)會(huì)產(chǎn)生以下兩種問題。

首先，允許DU復(fù)用CU的頻段資源會(huì)對(duì)CU的信號(hào)產(chǎn)生不可避免的干擾，甚至有可能由于不恰當(dāng)?shù)膹?fù)用CUE頻段資源，導(dǎo)致了小區(qū)內(nèi)整體的容量的下降，嚴(yán)重干擾了原有CUE通信質(zhì)量。

其次，運(yùn)營商出于設(shè)備間通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和自身盈利考慮，會(huì)逐步采用上述頻段重疊的方式在原有移動(dòng)通信系統(tǒng)之下部署設(shè)備間通信，但是卻帶來了一個(gè)十分嚴(yán)重的物理層安全問題：一些惡意的DU由于獲得了接入某些下行頻段的權(quán)限并獲取了該頻段上的物理層參數(shù)，這就為其竊聽普通的CU私有信息提供了便利，而在考慮了物理層安全之后的頻段分配與功率控制問題亟需解決。

本發(fā)明公開了一種計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法，通過特定設(shè)計(jì)的頻段分配與功率控制算法，不僅保證了CUE下行通信速率，同時(shí)最大化所有DU的頻率利用率之和，最重要的是從物理層角度徹底杜絕了DU復(fù)用頻段資源帶來的信息安全威脅。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法，實(shí)現(xiàn)了最大化所有DU頻譜利用率之和的同時(shí)保證所有CU與基站之間的下行鏈路安全通信速率不低于一個(gè)預(yù)設(shè)值。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法，該方法按以下步驟進(jìn)行。

1) 基站將下行信號(hào)廣播給C個(gè)CU，同時(shí)有D個(gè)DU發(fā)出建立直接通信請(qǐng)求，分別用下與標(biāo)識(shí)；基站到第c個(gè)CU的下行安全通信速率不低于。

2) 基站廣播下行信號(hào)的總功率任一DU復(fù)用多個(gè)下行頻段可用的總功率分別記為與；采用離散二元變量表示第d個(gè)DU復(fù)用第c個(gè)CU的下行頻段指示標(biāo)量，若第d個(gè)DU復(fù)用第c個(gè)CU的下行頻段，則，否則，；基站到將第c個(gè)CU的歸一化信道系數(shù)記為；當(dāng)?shù)赿個(gè)DU共享第c個(gè)CU的下行頻段時(shí)()，將第d個(gè)DU發(fā)送端到接收端的歸一化信道系數(shù)記為，將第d個(gè)DU發(fā)送端到第c個(gè)CU的歸一化信道系數(shù)記為，將基站到第d個(gè)DU接收端的歸一化信道系數(shù)記為。

3)所有DU向基站提出建立本地連接請(qǐng)求，并請(qǐng)求基站將CU的下行頻段分配給DU用于本地通信，并將相應(yīng)的物理層參數(shù)告知DU，且DU之間采用正交方式復(fù)用這些下行頻段；由于DU獲得了接入下行頻段的權(quán)限及相應(yīng)參數(shù)，那么由于無線信號(hào)的廣播特性，DU完全可以接收并竊取到已復(fù)用頻段上合法CU的私有數(shù)據(jù)，這就從物理層角度上給CU的安全特性帶來很大威脅；基站根據(jù)2）中所述獲得的四類信道信息，充分考慮到DU復(fù)用頻段資源后對(duì)CU的物理層安全威脅，計(jì)算出符合安全原則的下行頻段分配結(jié)果，同時(shí)還包括CU和DU在共享頻段上的最優(yōu)發(fā)送功率，其中，與分別為CU和DU在下行頻段上的發(fā)送功率變量；采用本專利公開的計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法不僅保證了CUE下行通信速率，同時(shí)最大化所有DU的頻率利用率之和，最重要的是從物理層角度徹底杜絕了DU復(fù)用頻段資源帶來的信息安全威脅。

進(jìn)一步，本發(fā)明專利所述步驟3)中從物理層角度杜絕DU復(fù)用頻段資源帶來的信息安全威脅問題，采用基站利用聯(lián)合頻段資源分配與功率控制算法進(jìn)行處理，從而獲得所有CU與DU之間的下行頻段的共享方案以及相應(yīng)的功率控制結(jié)果，該算法的計(jì)算方法如下。

步驟1：初始化一系列中間變量為，；引入n為循環(huán)計(jì)數(shù)變量并初始化n=1；引入一個(gè)極小的正數(shù)，用于判定循環(huán)是否結(jié)束。

步驟2：當(dāng)時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟3-7，否則循環(huán)結(jié)束并輸出最優(yōu)解。

步驟3：給定調(diào)用下述聯(lián)合頻段分配與功率控制算法，計(jì)算獲得最優(yōu)解（）；聯(lián)合頻段分配與功率控制算法執(zhí)行步驟如下：

引入循環(huán)計(jì)數(shù)變量j并初始化為j=1，初始化，其中j為循環(huán)計(jì)數(shù)變量，，為第d個(gè)DU的功率約束條件拉格朗日乘子，為行向量，它的元素都為一個(gè)很小的正數(shù)；為固定步長(zhǎng)。

步驟a：重復(fù)執(zhí)行下列步驟b-步驟d，直到對(duì)所有的DU有。

步驟b：計(jì)算，其中

將獲得的代入到，表達(dá)式如下所示：

然后將第c個(gè)CU的下行頻段分配給擁有最大的DU，即。

步驟c：更新變量為：

步驟d：j=j+1，跳至步驟a繼續(xù)執(zhí)行該循環(huán)。

步驟4：按照下式更新中間變量

。

步驟5：若 則 否則，。

步驟6：計(jì)算 ，，并跳至步驟2繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。

步驟7：根據(jù)計(jì)算獲得的計(jì)算可得，最終輸出結(jié)果

有益效果

1）本發(fā)明方法從物理層安全的角度解決了移動(dòng)通信系統(tǒng)下部署設(shè)備間通信的安全威脅。

2）本發(fā)明方法是針對(duì)多個(gè)CU與多個(gè)DU對(duì)之間資源共享設(shè)計(jì)的聯(lián)合頻段分配與功率控制算法，因此適用范圍更加廣泛。

3）本發(fā)明方法同時(shí)兼顧了傳統(tǒng)CU的私密性和有效性，保證其通信質(zhì)量不會(huì)因?yàn)镈U的復(fù)用導(dǎo)致過多下降或者被竊聽，同時(shí)本發(fā)明還最大化了DU的頻譜利用率之和，盡可能提高了系統(tǒng)總體性能。

附圖說明

圖1 是本發(fā)明提出的一種計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法系統(tǒng)框圖。

圖2 是本發(fā)明方法、性能上界、隨機(jī)頻段分配方法隨CU最低安全通信速率的性能比較曲線；共有50個(gè)CU和30個(gè)DU，且基站和DU最大發(fā)送功率分別為46dBm和23dBm。

圖3 是本發(fā)明方法、性能上界、隨機(jī)頻段分配方法隨CU數(shù)的性能比較曲線，下行最低安全通信速率為13bits/s/Hz；共有30個(gè)DU，且基站和DU最大發(fā)送功率分別為46dBm和23dBm。

圖4是本發(fā)明方法、性能上界、隨機(jī)頻段分配方法隨DU數(shù)的性能比較曲線，下行最低安全通信速率為10bits/s/Hz；共有50個(gè)CU，且基站和DU最大發(fā)送功率分別為46dBm和23dBm。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示：本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下。

1) 基站將下行信號(hào)廣播給C個(gè)CU，同時(shí)有D個(gè)DU發(fā)出建立直接通信請(qǐng)求，分別用下與標(biāo)識(shí)；基站到第c個(gè)CU的下行安全通信速率不低于。

2) 基站廣播下行信號(hào)的總功率任一DU復(fù)用多個(gè)下行頻段可用的總功率分別記為與；采用離散二元變量表示第d個(gè)DU復(fù)用第c個(gè)CU的下行頻段指示標(biāo)量，若第d個(gè)DU復(fù)用第c個(gè)CU的下行頻段，則，否則，；基站到將第c個(gè)CU的歸一化信道系數(shù)記為；當(dāng)?shù)赿個(gè)DU共享第c個(gè)CU的下行頻段時(shí)()，將第d個(gè)DU發(fā)送端到接收端的歸一化信道系數(shù)記為，將第d個(gè)DU發(fā)送端到第c個(gè)CU的歸一化信道系數(shù)記為，將基站到第d個(gè)DU接收端的歸一化信道系數(shù)記為。

3）所有DU向基站提出建立本地連接請(qǐng)求，并請(qǐng)求基站將CU的下行頻段分配給DU用于本地通信，并將相應(yīng)的物理層參數(shù)告知DU，且DU之間采用正交方式復(fù)用這些下行頻段；由于DU獲得了接入下行頻段的權(quán)限及相應(yīng)參數(shù)，那么由于無線信號(hào)的廣播特性，DU完全可以接收并竊取到已復(fù)用頻段上合法CU的私有數(shù)據(jù)，這就從物理層角度上給CU的安全特性帶來很大威脅；基站根據(jù)2）中所述獲得的四類信道信息，充分考慮到DU復(fù)用頻段資源后對(duì)CU的物理層安全威脅，計(jì)算出符合安全原則的下行頻段分配結(jié)果，同時(shí)還包括CU和DU在共享頻段上的最優(yōu)發(fā)送功率，其中，與分別為CU和DU在下行頻段上的發(fā)送功率變量；采用本專利公開的計(jì)及物理層安全的設(shè)備間通信資源共享方法不僅保證了CUE下行通信速率，同時(shí)最大化所有DU的頻率利用率之和，最重要的是從物理層角度徹底杜絕了DU復(fù)用頻段資源帶來的信息安全威脅。

所述步驟3)中從物理層角度杜絕DU復(fù)用頻段資源帶來的信息安全威脅問題，采用基站利用聯(lián)合頻段資源分配與功率控制算法進(jìn)行處理，從而獲得所有CU與DU之間的下行頻段的共享方案以及相應(yīng)的功率控制結(jié)果。該算法的計(jì)算方法如下。

步驟1：初始化一系列中間變量為，；引入n為循環(huán)計(jì)數(shù)變量并初始化n=1；引入一個(gè)極小的正數(shù)，用于判定循環(huán)是否結(jié)束。

步驟2：當(dāng)時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟3-7，否則循環(huán)結(jié)束并輸出最優(yōu)解。

步驟3：給定調(diào)用下述聯(lián)合頻段分配與功率控制算法，計(jì)算獲得最優(yōu)解（）；聯(lián)合頻段分配與功率控制算法執(zhí)行步驟如下。

引入循環(huán)計(jì)數(shù)變量j并初始化為j=1，初始化，其中j為循環(huán)計(jì)數(shù)變量，，為第d個(gè)DU的功率約束條件拉格朗日乘子，為行向量，它的元素都為一個(gè)很小的正數(shù)；為固定步長(zhǎng)。

步驟a：重復(fù)執(zhí)行下列步驟b-步驟d，直到對(duì)所有的DU有。

步驟b：計(jì)算，

其中

將獲得的代入到，，表達(dá)式如下所示

然后將第c個(gè)CU的下行頻段分配給擁有最大的DU，即。

步驟c：更新變量為：

。

步驟d：j=j+1，跳至步驟a繼續(xù)執(zhí)行該循環(huán)。

步驟4：按照下式更新中間變量

。

步驟5：若 則 否則，。

步驟6：計(jì)算 ，，并跳至步驟2繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。

步驟7：根據(jù)計(jì)算獲得的計(jì)算可得，最終輸出結(jié)果。