本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別是涉及一種安全通信的方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，第五代移動(dòng)通信技術(shù)時(shí)代即將到來。第五代移動(dòng)通信技術(shù)所注重的問題是綠色通道和提高頻譜效率，實(shí)現(xiàn)綠色通道的手段有提高能量利用效率和減少能量消耗，而實(shí)現(xiàn)提高頻譜效率的手段有協(xié)作中繼技術(shù)、協(xié)作波束成形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)等。

在利用無線通信技術(shù)傳輸信號(hào)時(shí)，保證安全通信是必不可少的。安全通信可以是指在進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，通過某種手段確保所傳輸?shù)男盘?hào)不被非授權(quán)用戶竊聽。用戶接收到的信號(hào)包括目標(biāo)信號(hào)、噪聲以及干擾信號(hào)，可以設(shè)置用戶接收到的信干噪比大于閾值時(shí)，該用戶可以正確解碼所接收的信號(hào)；當(dāng)用戶接收到的信干燥比小于閾值時(shí)，該用戶無法正確解碼所接收到的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)安全通信的目的。

在現(xiàn)有技術(shù)中，基于人工噪聲和波束成形技術(shù)可以確保用戶的安全通信，還可以保證用戶的通信服務(wù)質(zhì)量。用戶接收到的干擾信號(hào)包括小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)，即在同一通信小區(qū)內(nèi)，用戶除了接收到基站發(fā)送給自身的信號(hào)外，還接收到基站發(fā)送給其它用戶的信號(hào)。但是，現(xiàn)有技術(shù)只考慮了同一通信小區(qū)內(nèi)的干擾影響，即用戶接收到的信干噪比的干擾信號(hào)項(xiàng)只考慮了小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)，忽略了小區(qū)間干擾的影響。而在實(shí)際情況中，小區(qū)間的干擾信號(hào)是不可忽視的，即不同的通信小區(qū)間的用戶也會(huì)接收到不同基站發(fā)出的信號(hào)。如何在進(jìn)行安全通信時(shí)考慮到小區(qū)間干擾的存在，進(jìn)而降低通信能耗、提高用戶服務(wù)質(zhì)量以及降低通信風(fēng)險(xiǎn)是本領(lǐng)域亟待解決的問題，基于此，本發(fā)明提出了一種安全通信的方法及裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種安全通信的方法，目的在于解決現(xiàn)有問題中在安全通信時(shí)沒有考慮到存在小區(qū)間干擾的問題；本發(fā)明的另一目的是提供一種安全通信的裝置，其在安全通信時(shí)考慮到小區(qū)間干擾的存在，進(jìn)而降低通信能耗、提高用戶服務(wù)質(zhì)量以及降低通信風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種安全通信的方法，該方法包括：

獲取預(yù)先建立的多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型；

利用交替方向乘子算法，在用戶安全通信的信干噪比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)；

根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，將所述信號(hào)發(fā)送給所述用戶；

其中，信干噪比為所述用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的比值，所述干擾噪聲信號(hào)包括小區(qū)間干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)。

可選地，所述利用交替方向乘子算法，在保證用戶安全通信的信干燥比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)包括：

利用所述交替方向乘子算法，將所述數(shù)學(xué)模型分解成預(yù)設(shè)數(shù)量的子模型；

基于本地信道狀態(tài)參數(shù)以及相應(yīng)的所述子模型，得出所述最優(yōu)的波束成形向量以及人工噪聲向量，所述波束成形向量為所述波束成形參數(shù)，所述人工噪聲向量為所述人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，發(fā)送所述信號(hào)給所述用戶包括：

通過所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，根據(jù)確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，發(fā)送所述信號(hào)給所述用戶；

其中，x_n(t)為第n個(gè)基站所需傳輸?shù)男盘?hào)，為第n個(gè)基站傳輸給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的目標(biāo)信號(hào)，是第n個(gè)基站傳輸信號(hào)給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的波束成形參數(shù)，z_n是第n個(gè)基站疊加的服從高斯分布的人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述用戶包括授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，所述授權(quán)用戶接收到的所述小區(qū)間干擾信號(hào)為其中，代表第m個(gè)基站到第n個(gè)基站的授權(quán)用戶k_n的信道向量。

可選地，所述用戶安全通信的所述信干噪比閾值范圍包括：

所述授權(quán)用戶的所述信干噪比大于第一預(yù)設(shè)閾值；

所述非授權(quán)用戶的所述信干噪比小于第二預(yù)設(shè)閾值。

此外，本發(fā)明還提供了一種安全通信的裝置，該裝置包括：

獲取單元，用于獲取預(yù)先建立的多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型；

最優(yōu)解計(jì)算單元，用于利用交替方向乘子算法，在用戶安全通信的信干噪比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)；

信號(hào)發(fā)送單元，用于根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，將所述信號(hào)發(fā)送給所述用戶；

其中，信干噪比為所述用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的比值，所述干擾噪聲信號(hào)包括小區(qū)間干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)。

可選地，所述最優(yōu)解計(jì)算單元包括：

分解子單元，用于利用所述交替方向乘子算法，將所述數(shù)學(xué)模型分解成預(yù)設(shè)數(shù)量的子模型；

第一計(jì)算子單元，用于基于本地信道狀態(tài)參數(shù)以及相應(yīng)的所述子模型，得出所述最優(yōu)的波束成形向量以及人工噪聲向量，所述波束成形向量為所述波束成形參數(shù)，所述人工噪聲向量為所述人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述信號(hào)發(fā)送單元包括：

代入子單元，用于通過所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，根據(jù)公式確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，發(fā)送所述信號(hào)給所述用戶；

其中，x_n(t)為第n個(gè)基站所需傳輸?shù)男盘?hào)，為第n個(gè)基站傳輸給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的目標(biāo)信號(hào)，是第n個(gè)基站傳輸信號(hào)給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的波束成形參數(shù)，z_n是第n個(gè)基站疊加的服從高斯分布的人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述用戶包括授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，所述授權(quán)用戶接收到的所述小區(qū)間干擾信號(hào)為其中，代表第m個(gè)基站到第n個(gè)基站的授權(quán)用戶k_n的信道向量。

可選地，所述最優(yōu)解計(jì)算單元內(nèi)所述用戶安全通信的所述信干噪比閾值范圍包括：

所述授權(quán)用戶的所述信干噪比大于第一預(yù)設(shè)閾值；

所述非授權(quán)用戶的所述信干噪比小于第二預(yù)設(shè)閾值。

本發(fā)明所提供的一種安全通信的方法及裝置，通過獲取預(yù)先建立多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下信號(hào)傳輸問題的數(shù)學(xué)模型；利用交替方向乘子算法，在用戶通信安全的信干噪比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)；根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，將所述信號(hào)發(fā)送給所述用戶；其中，信干噪比為所述用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的比值，所述干擾噪聲信號(hào)包括小區(qū)間干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)?？紤]了小區(qū)間的干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用分布式算法的交替方向乘子算法得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)和人工噪聲參數(shù)，可以避免額外的通信成本，而根據(jù)最優(yōu)的波束成形參數(shù)可以確定出最大傳輸速率，根據(jù)人工噪聲參數(shù)可以確定出功率化最小的人工噪聲?？梢?，本申請(qǐng)基于人工噪聲以及最優(yōu)化波束成形技術(shù)，在多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下，在安全通信時(shí)考慮了小區(qū)間的干擾，降低了通信能耗，提高了用戶服務(wù)質(zhì)量以及降低了通信安全風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種安全通信的多小區(qū)多用戶應(yīng)用場(chǎng)景示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的安全通信方法的一種具體實(shí)施方式的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的安全通信的裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面首先結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案涉及的一些可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行舉例介紹。圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種安全通信的多小區(qū)多用戶應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。

如圖1所示的多小區(qū)多用戶的應(yīng)用場(chǎng)景，多小區(qū)可以是指多個(gè)小區(qū)，此處以及下文所提到的小區(qū)均為通信小區(qū)，每個(gè)基站的覆蓋范圍為一個(gè)小區(qū)。多用戶可以是指每個(gè)小區(qū)內(nèi)有多名通信用戶，其中，用戶可以分為授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶。所謂授權(quán)用戶可以是指具有接收指定信號(hào)權(quán)限的用戶，非授權(quán)用戶可以是指不具備接收指定信號(hào)權(quán)限的用戶。圖1中示出了4個(gè)通信小區(qū)，即基站1、基站2、基站3以及基站4所覆蓋的區(qū)域，每個(gè)基站所覆蓋的范圍內(nèi)具有多名授權(quán)用戶以及非授權(quán)用戶，每個(gè)基站均有多根天線，且各個(gè)基站之間利用共用頻帶來傳輸信號(hào)。為了更好地貼合實(shí)際情況，每個(gè)基站內(nèi)的授權(quán)用戶的數(shù)量與非授權(quán)用戶的數(shù)量可以是不一樣的。

由于基站之間所使用的頻帶是一樣的，故不僅存在著小區(qū)內(nèi)的干擾，還存在著小區(qū)間的干擾。即用戶接收到的信號(hào)包括了小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)以及小區(qū)間的干擾信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案重點(diǎn)探究在多小區(qū)多用戶的場(chǎng)景下，如何在考慮了小區(qū)間的干擾影響時(shí)，保證授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，降低通信能耗以及授權(quán)用戶的通信風(fēng)險(xiǎn)的問題。

下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例基于多小區(qū)多用戶場(chǎng)景所提供的安全通信技術(shù)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

請(qǐng)參見圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的安全通信方法的一種具體實(shí)施方式的流程示意圖，該方法包括以下步驟：

步驟201：獲取預(yù)先建立的多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型；

獲取預(yù)先抽象建立的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型是基于多小區(qū)多用場(chǎng)景抽象建立，即將在多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下傳輸信號(hào)的問題抽象成一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可以通過求解該數(shù)學(xué)模型，從而得出與實(shí)際問題相對(duì)應(yīng)的解。

在多用戶多小區(qū)場(chǎng)景下傳輸信號(hào)時(shí)，為了達(dá)到安全通信的目的，可以在發(fā)送目標(biāo)信號(hào)時(shí)，發(fā)送一些人工噪聲，以達(dá)到安全通信的目的。在保證通信安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地使得人工噪聲的功勞最小化，從而減少功耗，信號(hào)的傳輸速率最大化?？梢岳枚嘈^(qū)協(xié)作波束成形技術(shù)(multi-cell coordinated beamforming，MCBF)，充分利用基站多天線的空間自由度抑制小區(qū)內(nèi)以及小區(qū)間的干擾，從而在多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下同時(shí)達(dá)到提高頻譜效率、降低功率消耗和保證服務(wù)質(zhì)量的技術(shù)手段。

其功率最小化的MCBF的數(shù)學(xué)模型可以描述成利用該數(shù)學(xué)模型在特定的求解范圍求解，可以得出最優(yōu)解，從而得出相應(yīng)的較好的安全通信參數(shù)。為了達(dá)到安全通信的目的，可以將求解范圍設(shè)定為用戶接收到的信干噪比閾值范圍。

步驟202：利用交替方向乘子算法，在用戶安全通信的信干噪比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)；

可以理解的是，信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)可以是指用戶所接收到的目標(biāo)信號(hào)與干擾噪聲信號(hào)的比值，其干擾噪聲信號(hào)可以包括小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)、小區(qū)間的干擾信號(hào)、人工噪聲信號(hào)以及其它噪聲信號(hào)。

由于現(xiàn)實(shí)情況中，通信小區(qū)以及用戶的數(shù)量過多，小區(qū)以及用戶沒有確定的數(shù)量，故可以假設(shè)場(chǎng)景中有N_c個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)均配置有N_t根天線的基站，k_n個(gè)配置有單天線的授權(quán)用戶以及s_n個(gè)配置有單天線的非授權(quán)用戶。其中，N_c個(gè)基站可以通過共用頻帶來傳輸信號(hào)。n、k_n和s_n分別代表第n個(gè)小區(qū)、第n個(gè)小區(qū)的第k_n個(gè)授權(quán)用戶和第n個(gè)小區(qū)的第s_n個(gè)非授權(quán)用戶。顯而易見地，分別代表第n個(gè)小區(qū)的授權(quán)用戶集合、第n個(gè)小區(qū)的非授權(quán)用戶集合和小區(qū)基站集合。

此時(shí)，第n個(gè)基站傳輸?shù)男盘?hào)可以表示為其中，為第n個(gè)基站傳輸給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的目標(biāo)信號(hào)，是第n個(gè)基站傳輸信號(hào)給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的波束成形參數(shù)，是第n個(gè)基站疊加的服從高斯分布的人工噪聲參數(shù)，也就是說且

可以利用x_n(t)來推導(dǎo)用戶接收到的信干噪比的表達(dá)式，而用戶包括了授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，授權(quán)用戶接收到的所述小區(qū)間干擾信號(hào)為其中，代表第m個(gè)基站到第n個(gè)基站的授權(quán)用戶k_n的信道向量。將小區(qū)間的干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)的干擾信號(hào)、人工噪聲以及其它的噪聲相加起來得出相加值，目標(biāo)信號(hào)與相加值相比，可以得出用戶的信干噪比。

處于多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下的第n個(gè)基站中第k_n個(gè)授權(quán)用戶接收到的所有基站發(fā)送的信號(hào)可以表示為：

而第n個(gè)基站中第s_n個(gè)非授權(quán)用戶接收到的所有基站發(fā)送的信號(hào)可以表示為：

其中，分別代表第m個(gè)基站到第n個(gè)基站授權(quán)用戶k_n和非授權(quán)用戶s_n的信道向量。分別代表第n個(gè)基站授權(quán)用戶k_n和非授權(quán)用戶s_n的高斯噪聲，

確定了授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶的接收到的信號(hào)表達(dá)式后，可以利用信號(hào)表達(dá)式來推導(dǎo)出授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶的信干噪比表達(dá)式。第n個(gè)基站中第k_n個(gè)授權(quán)用戶接收到的信干噪比可以表示為：

第n個(gè)基站中第s_n個(gè)非授權(quán)用戶接收到的信干噪比可以表示為：

可以理解的是，為了保證所述用戶通信安全的所述信干噪比閾值范圍包括：所述授權(quán)用戶的所述信干噪比大于第一預(yù)設(shè)閾值；所述非授權(quán)用戶的所述信干噪比小于第二預(yù)設(shè)閾值。第一預(yù)設(shè)閾值以及第二預(yù)設(shè)閾值均可人為地設(shè)定，通過設(shè)置授權(quán)用戶以及非授權(quán)用戶的信干噪比，可以實(shí)現(xiàn)安全通信。

設(shè)定授權(quán)用戶的接收信干噪比大于閾值γ_u時(shí)，則認(rèn)為授權(quán)用戶能正確解碼接收的信號(hào)，達(dá)到保證授權(quán)用戶通信服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo)。即當(dāng)信干噪比大于閾值時(shí)，可以認(rèn)為授權(quán)用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)的能量較大，此時(shí)噪聲不會(huì)影響到授權(quán)用戶接收目標(biāo)信號(hào)。非授權(quán)用戶的接收信干噪比小于閾值γ_e時(shí)，則認(rèn)為非授權(quán)用戶無法正確解碼接收的信號(hào)，達(dá)到物理層安全通信的目標(biāo)。即當(dāng)信干噪比小于閾值時(shí)，可以認(rèn)為非授權(quán)用戶接收到的干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)的能量較大，此時(shí)噪聲會(huì)影響非授權(quán)用戶接收目標(biāo)信號(hào)。也即授權(quán)用戶希望目標(biāo)信號(hào)的能量最大，噪聲以及干擾信號(hào)的能量最小，使得解碼信號(hào)比較容易；而非授權(quán)用戶希望噪聲以及干擾信號(hào)的能量最大，目標(biāo)信號(hào)的能量最小，使得解碼信號(hào)比較困難。

需要說明的是，授權(quán)用戶以及非授權(quán)用戶的信干噪比的閾值是可以人為地設(shè)定，其閾值可以是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來設(shè)定，也可以是根據(jù)實(shí)際需求來設(shè)定。信干噪比的單位為分貝(dB)，例如，可以將授權(quán)用戶的信干噪比的閾值γ_u設(shè)為10dB，非授權(quán)用戶的信干噪比的閾值γ_e設(shè)為0.1dB。

將用戶接收到的信干噪比的閾值范圍作為數(shù)學(xué)模型約束條件，然后可以利用分布式算法在該可行域內(nèi)求解出最優(yōu)解。故在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其求解過程具體可以為：利用所述交替方向乘子算法，將所述數(shù)學(xué)模型分解成預(yù)設(shè)數(shù)量的子模型；基于本地信道狀態(tài)參數(shù)以及相應(yīng)的所述子模型，得出所述最優(yōu)的波束成形向量以及人工噪聲向量，所述波束成形向量為所述波束成形參數(shù)，所述人工噪聲向量為所述人工噪聲參數(shù)。

需要說明的是，利用交替方向乘子算法將集中式問題分解成多個(gè)子問題，對(duì)每個(gè)子問題進(jìn)行求解。相較于將全部的信道狀態(tài)參數(shù)傳送至一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理求解，分布式算法可以使基站只利用本地信道狀態(tài)參數(shù)進(jìn)計(jì)算，即可得出相應(yīng)的最優(yōu)波束成形向量以及人工噪聲向量，避免了額外的通信成本，降低了通信能耗。

數(shù)學(xué)模型為其約束條件為而由于上述約束條件為非凸，故數(shù)學(xué)模型也為非凸。因此不能直接對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，需要利用凸優(yōu)化工具SDR進(jìn)行求解。定義此時(shí)數(shù)學(xué)模型可以表示為：其約束條件則可以表示為：

雖然可以利用求解工具來求解重新表示后的數(shù)學(xué)模型，但是需要將系統(tǒng)中的所有信道狀態(tài)信息匯總到一個(gè)中心計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)束后再把個(gè)基站的最優(yōu)波束成形向量以及人工噪聲向量返回給各個(gè)基站去配置。給系統(tǒng)增加了大量的通信消耗以及時(shí)間開銷。

需要將集中優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型即數(shù)學(xué)問題分解為N_c+1個(gè)本地子問題，該本地子問題只涉及信道狀態(tài)信息，并且每個(gè)本地子問題分別由各個(gè)基站進(jìn)行優(yōu)化。

利用交替方向乘子算法進(jìn)行迭代分解，首先需要找出集中式問題的處罰增強(qiáng)問題。先定義如下松弛變量：

因此可以將集中式問題重寫成其約束條件為

由于約束條件都是凸的，中與n有關(guān)的變量以及可行集能被分解為N_c個(gè)不相交的凸集合，如下式表示：

為進(jìn)一步化簡(jiǎn)，定義四個(gè)向量如下：

t包含所有的干擾項(xiàng)及人工噪聲項(xiàng)，t_n包含與基站n相關(guān)的干擾項(xiàng)及人工噪聲項(xiàng)(也就是說基站n發(fā)送到相鄰基站的信號(hào)以及接收到相鄰基站發(fā)送的信號(hào))。有了t和t_n，可以找到一個(gè)線性映射矩陣Ω_n∈{0,1}，使得t_n＝Ω_nt。因此，數(shù)學(xué)模型的處罰增強(qiáng)問題可以表示為：

ρ_n≥0是一個(gè)松弛變量，c>0是處罰參數(shù)。處罰增強(qiáng)問題的最優(yōu)解沒有改變，附加項(xiàng)是為了確保交替方向乘子算法的收斂性。

找出基于多小區(qū)多用戶場(chǎng)景信號(hào)傳輸問題建立的數(shù)學(xué)模型的處罰增強(qiáng)問題后，需要進(jìn)行對(duì)偶分解，使得每個(gè)基站能單獨(dú)求解波束成形參數(shù)和人工噪聲參數(shù)。處罰增強(qiáng)問題的對(duì)偶問題如下：

其中，v_n,u_n是關(guān)聯(lián)的對(duì)偶參數(shù)。由于對(duì)偶問題是凸的，對(duì)于給定的v_n,u_n，({W_mk}_k,{Σ_m},t_m,p_m)能被高效的求解。因此可以用迭代的方式求解對(duì)偶問題。具體地說，在第(q+1)次迭代后，對(duì)偶問題能被分解為N_c+1個(gè)凸的子問題，即對(duì)于有：

以及

對(duì)于每個(gè)如(1)的子問題，它只與基站n相關(guān)，因此在(q+1)次迭代中每個(gè)基站只需要處理相關(guān)的一個(gè)子問題(1)來求解(t_n(q+1),p_n(q+1))，然后與相鄰基站交換(t_n(q+1),p_n(q+1))后通過求解(2)來獲得(t(q+1),ρ_n(q+1))。根據(jù)交替方向乘子算法，對(duì)偶參數(shù)能通過下式更新：

綜上所述，分布式交替方向乘子算法求解過程能被描述如下：給定基站n中參數(shù)：{v_n(0),u_n(0),t(0),ρ_n(0)},以及處罰參數(shù)c；設(shè)置q＝0。即每個(gè)基站分別獨(dú)立求解相關(guān)子問題(1)，得到(t_n(q+1),p_n(q+1))；每個(gè)基站通過更新(t_n(q+1),p_n(q+1))求解(2)得到(t(q+1),ρ_n(q+1))；每個(gè)基站通過(3)更新對(duì)偶變量v_n(q+1),u_n(q+1)；設(shè)置q＝q+1，until預(yù)定義的停止準(zhǔn)則被滿足，

可以理解的是，迭代的停止準(zhǔn)則為常見的停止準(zhǔn)則。例如，停止準(zhǔn)則可以是當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)迭代次數(shù)時(shí)，停止迭代，亦或者是當(dāng)相鄰兩次迭代結(jié)果的差值小于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，則停止迭代。

分解成多個(gè)本地子問題后，每個(gè)基站只需根據(jù)本地的信道狀態(tài)參數(shù)來求解相應(yīng)的本地子問題，得出每個(gè)基站的最優(yōu)波束成形向量以及人工噪聲向量。

步驟203：根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，將所述信號(hào)發(fā)送給所述用戶；其中，信干噪比為所述用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的比值，所述干擾信號(hào)包括小區(qū)間干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)。

在每個(gè)基站確定出最優(yōu)的波束成形向量以及人工噪聲向量后，在需要進(jìn)行傳輸信號(hào)時(shí)，需要根據(jù)傳輸信號(hào)公式來確定所需傳輸?shù)男盘?hào)。故在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其過程具體可以為：通過所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，根據(jù)確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，發(fā)送所述信號(hào)給所述用戶。

其中，x_n(t)為第n個(gè)基站所需傳輸?shù)男盘?hào)，為第n個(gè)基站傳輸給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的目標(biāo)信號(hào)，是第n個(gè)基站傳輸信號(hào)給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的波束成形參數(shù)，z_n是第n個(gè)基站疊加的服從高斯分布的人工噪聲參數(shù)。每個(gè)基站確定所需傳輸?shù)男盘?hào)后，則進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，以達(dá)到安全通信的目標(biāo)。

本發(fā)明實(shí)施例所提供的安全通信的方法，該方法考慮了小區(qū)間的干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用分布式算法的交替方向乘子算法得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)和人工噪聲參數(shù)，可以避免額外的通信成本，而根據(jù)最優(yōu)的波束成形參數(shù)可以確定出最大傳輸速率，根據(jù)人工噪聲參數(shù)可以確定出功率化最小的人工噪聲?？梢?，基于人工噪聲以及最優(yōu)化波束成形技術(shù)，在多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下，在安全通信時(shí)考慮了小區(qū)間的干擾，降低了通信能耗，提高了用戶服務(wù)質(zhì)量以及降低了通信安全風(fēng)險(xiǎn)。

下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的安全通信的裝置進(jìn)行介紹，下文描述的安全通信的裝置與上文描述的安全通信的方法可相互對(duì)應(yīng)參照。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的安全通信的裝置的結(jié)構(gòu)框圖，參照?qǐng)D3安全通信裝置可以包括：

獲取單元301，用于獲取預(yù)先建立的多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型；

最優(yōu)解計(jì)算單元302，用于利用交替方向乘子算法，在用戶安全通信的信干噪比閾值范圍內(nèi)計(jì)算所述數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)以及人工噪聲參數(shù)；

信號(hào)發(fā)送單元303，用于根據(jù)所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，將所述信號(hào)發(fā)送給所述用戶；

其中，信干噪比為所述用戶接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾噪聲信號(hào)的比值，所述干擾噪聲信號(hào)包括小區(qū)間干擾信號(hào)、小區(qū)內(nèi)干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)。

可選地，所述最優(yōu)解計(jì)算單元包括：

分解子單元，用于利用所述交替方向乘子算法，將所述數(shù)學(xué)模型分解成預(yù)設(shè)數(shù)量的子模型；

第一計(jì)算子單元，用于基于本地信道狀態(tài)參數(shù)以及相應(yīng)的所述子模型，得出所述最優(yōu)的波束成形向量以及人工噪聲向量，所述波束成形向量為所述波束成形參數(shù)，所述人工噪聲向量為所述人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述信號(hào)發(fā)送單元包括：

代入子單元，用于通過所述波束成形參數(shù)以及所述人工噪聲參數(shù)，根據(jù)公式確定所需傳輸?shù)男盘?hào)，發(fā)送所述信號(hào)給所述用戶；

其中，x_n(t)為第n個(gè)基站所需傳輸?shù)男盘?hào)，為第n個(gè)基站傳輸給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的目標(biāo)信號(hào)，是第n個(gè)基站傳輸信號(hào)給第k_n個(gè)授權(quán)用戶的波束成形參數(shù)，z_n是第n個(gè)基站疊加的服從高斯分布的人工噪聲參數(shù)。

可選地，所述用戶包括授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶，所述授權(quán)用戶接收到的所述小區(qū)間干擾信號(hào)為其中，代表第m個(gè)基站到第n個(gè)基站的授權(quán)用戶k_n的信道向量。

可選地，所述最優(yōu)解計(jì)算單元內(nèi)所述用戶安全通信的所述信干噪比閾值范圍包括：所述授權(quán)用戶的所述信干噪比大于第一預(yù)設(shè)閾值；所述非授權(quán)用戶的所述信干噪比小于第二預(yù)設(shè)閾值。

本發(fā)明實(shí)施例所提供的安全通信的裝置，該裝置考慮了小區(qū)間的干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用分布式算法的交替方向乘子算法得出最優(yōu)的波束成形參數(shù)和人工噪聲參數(shù)，可以避免額外的通信成本，而根據(jù)最優(yōu)的波束成形參數(shù)可以確定出最大傳輸速率，根據(jù)人工噪聲參數(shù)可以確定出功率化最小的人工噪聲?？梢?，本申請(qǐng)基于人工噪聲以及最優(yōu)化波束成形技術(shù)，在多小區(qū)多用戶場(chǎng)景下，在安全通信時(shí)考慮了小區(qū)間的干擾，降低了通信能耗，提高了用戶服務(wù)質(zhì)量以及降低了通信安全風(fēng)險(xiǎn)。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其它實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同或相似部分互相參見即可。對(duì)于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

專業(yè)人員還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計(jì)算機(jī)軟件或者二者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實(shí)施。軟件模塊可以置于隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動(dòng)磁盤、CD-ROM、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲(chǔ)介質(zhì)中。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的安全通信的方法以及裝置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。