本發(fā)明涉及基于下行蜂窩網(wǎng)的d2d通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)安全性的d2d通信下行資源共享方法。

背景技術(shù)：

d2d通信允許兩個(gè)物理位置相近的蜂窩用戶直接通信，而不需要通過(guò)基站。因而，相比傳統(tǒng)的蜂窩通信，d2d可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率，更低的功率消耗。因此，d2d通信已經(jīng)提議作為現(xiàn)有和未來(lái)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要補(bǔ)充，主要用于本地?zé)o線服務(wù)

作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的底層，d2d通信將不可避免地對(duì)蜂窩用戶(cu)引入干擾，這可能降低蜂窩通信質(zhì)量，阻礙cu與d2d鏈路共享其頻譜資源。因此，迫切需要智能干擾管理方案來(lái)解決這個(gè)沖突。然而，從物理層安全的角度來(lái)看，這樣干擾變得有益，因?yàn)閐2d鏈路可以作為友好的干擾和幫助cu防止被竊聽(tīng)。因此，為了實(shí)現(xiàn)雙贏的目標(biāo)，即用于cu的安全可靠通信和d2d鏈路的高頻譜效率，需要對(duì)cu和d2d鏈路的資源共享策略進(jìn)行優(yōu)化。

在本發(fā)明中的條件中，我們協(xié)同優(yōu)化蜂窩用戶和d2d鏈路的發(fā)射功率，以及蜂窩用戶信道和d2d鏈路的匹配。在滿足蜂窩用戶cu的安全通信qos約束，以及蜂窩用戶cu和d2d鏈路的功率約束的前提下，最大化d2d鏈路的和速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)安全性的d2d通信下行資源共享方法，收斂速度快，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果精度高。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種增強(qiáng)蜂窩網(wǎng)安全性的d2d通信下行資源共享方法，包括如下步驟：

(1)設(shè)置蜂窩用戶的發(fā)射功率矩陣p⁰，設(shè)置d2d鏈路d在信道c上的發(fā)射功率矩陣i＝1,...,d，設(shè)置蜂窩用戶的發(fā)射功率預(yù)算矩陣并設(shè)置初始對(duì)偶變量λ⁽⁰⁾＝0和設(shè)置精度ε1＝10^-6、ε2＝2×10^-6、ε3＝10^-8、ε4＝2×10^-8，初始化迭代次數(shù)t＝0、s＝0、k＝0、m＝0；

(2)根據(jù)公式

和

更新和以獲得第j對(duì)d2d用戶在蜂窩頻帶i上的最優(yōu)通信速率：其中：

式中：ai表示蜂窩用戶i與基站的歸一化信道增益，θij表示d2d鏈路j發(fā)射端到蜂窩用戶i的歸一化干擾信道增益，rij表示d2d鏈路j發(fā)射端到蜂窩用戶i的歸一化信道增益，βij表示蜂窩用戶i對(duì)d2d鏈路j的歸一化干擾信道增益，ξijl表示d2d鏈路l在蜂窩頻帶i上對(duì)d2d鏈路j的歸一化干擾信道增益；表示第k次迭代蜂窩用戶i的發(fā)射功率向量，表示d2d鏈路j在蜂窩用戶i信道上的發(fā)射功率向量；和均為迭代函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)向量，表示d2d鏈路j在蜂窩用戶i信道上的發(fā)射功率向量；為蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的信噪比，為第j對(duì)d2d用戶在蜂窩頻帶i上的信噪比；其中

(3)對(duì)所有i＝1,2,…,c，判斷和是否均成立：若成立，則進(jìn)入步驟(4)；否則令k＝k+1，返回步驟(2)；

(4)設(shè)置步長(zhǎng)序列其中為步長(zhǎng)序列的第一個(gè)值；

(5)求解更新其中

為所有蜂窩用戶最小通信速率；

(6)判斷|λ^(s+1)-λ^(s)|<ε2是否成立：若成立，則進(jìn)入步驟(7)；否則令s＝s+1，返回步驟(2)；

(7)判斷是否成立：若成立，則將作為當(dāng)前功率預(yù)算下優(yōu)化后的蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率輸出，將作為優(yōu)化后的d2d用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率向量輸出，進(jìn)而求出蜂窩用戶c和d2d鏈路d的最優(yōu)匹配否則令t＝t+1，返回步驟(2)；

(8)根據(jù)公式

計(jì)算其中rd(pc(pd,c),pd,c)表示d2d用戶d的傳輸速率，設(shè)置方向?qū)?shù)

(9)計(jì)算:

t^m+1＝[t^m+τmd(t^m)]t；

其中，τm是從迭代步長(zhǎng)序列取出的對(duì)應(yīng)值，t為約束采用注水法來(lái)完成t到t的映射，式t＝[z]t表示為對(duì)于所有c∈c都有tc＝[zi-θ]⁺,其中θ為滿足約束的最低水位；

(10)判斷||t^m+1-t^m||<ε3是否成立，若成立，則將t^m作為最優(yōu)功率預(yù)算分配解，為最佳功率分配和最佳信道匹配，進(jìn)而求出所有d2d用戶的通信和速率，否則令m＝m+1，重新初始化其余不相關(guān)參數(shù)，返回步驟(2)。

本發(fā)明的有益效果為：(1)本發(fā)明所提算法在有竊聽(tīng)者的情況下，利用d2d用戶對(duì)蜂窩用戶的干擾來(lái)保證蜂窩用戶安全通信；(2)本發(fā)明用閉式解來(lái)表征任意cu-d2d對(duì)之間的功率控制；(3)本發(fā)明采用功率預(yù)算分配方案得到最優(yōu)功率傳輸方案；(4)本發(fā)明中所提算法能聯(lián)合優(yōu)化功率預(yù)算、功率控制以及信道分配；(5)本發(fā)明對(duì)于提高蜂窩用戶的安全通信有顯著效果；(6)本發(fā)明具有收斂速度快，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于單信道蜂窩網(wǎng)下行鏈路的d2d系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明的方法流程示意圖。

圖3為本發(fā)明的多信道蜂窩用戶情形下，蜂窩用戶為聯(lián)合功率限制、d2d用戶為獨(dú)立功率限制、d2d和通信速率與蜂窩用戶qos關(guān)系在不同發(fā)射功率策略和鏈路策略下的示意圖。

圖4為本發(fā)明的多信道蜂窩用戶情形下，蜂窩用戶為聯(lián)合功率限制、d2d用戶為獨(dú)立功率限制、d2d用戶和通信速率與蜂窩頻帶數(shù)量關(guān)系在不同發(fā)射功率策略和鏈路策略下示意圖。

具體實(shí)施方式

基于蜂窩網(wǎng)的d2d用戶的通信速率優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的非凸非線性的優(yōu)化問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)的蜂窩用戶為下行單信道，應(yīng)用本算法可以在有竊聽(tīng)者的條件下，保證蜂窩用戶的安全通信，并且可以快速優(yōu)化并求解出蜂窩用戶的最優(yōu)發(fā)射功率和d2d用戶的最優(yōu)發(fā)射功率以及蜂窩用戶和d2d用戶之間的最優(yōu)信道匹配采用本優(yōu)化算法得到的發(fā)射功率能夠保證蜂窩用戶安全通信速率要求，并最大化所有d2d用戶通信速率之和。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

各個(gè)參數(shù)的說(shuō)明如下：

ωd,c∈{0,1}表示蜂窩用戶c是否被d2d鏈路復(fù)用d；

pc表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶c上的發(fā)射功率；

qd,c表示d2d用戶d在蜂窩頻帶c上的發(fā)射功率向量；

gc表示蜂窩用戶c與基站之間的歸一化信道增益；

表示基站與竊聽(tīng)者之間在信道c上的歸一化干擾信道增益；

gd,c表示d2d用戶d在蜂窩信道c之間的歸一化信道增益；

表示基站到d2d鏈路d接收機(jī)在信道c上的歸一化干擾信道增益；

表示d2d鏈路d發(fā)射機(jī)和對(duì)蜂窩用戶c之間的歸一化干擾信道增益；

表示d2d鏈路d發(fā)射機(jī)對(duì)竊聽(tīng)者在蜂窩信道c上的歸一化信道增益；

rc表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶c上的最低通信速率；

設(shè)蜂窩系統(tǒng)共有d對(duì)d2d用戶和c個(gè)蜂窩用戶，每個(gè)蜂窩用戶單獨(dú)占用一個(gè)蜂窩頻帶；

圖1所示為基于蜂窩系統(tǒng)下行鏈路的d2d通信技術(shù)系統(tǒng)示意圖，可知d2d鏈路d和蜂窩用戶c的可達(dá)安全速率分別表示為：

和

在該系統(tǒng)中，我們的優(yōu)化目標(biāo)為最大化所有d2d用戶的和通信速率，即：此外，由于蜂窩用戶相比于d2d用戶具有更高優(yōu)先級(jí)，因而蜂窩用戶有最小安全通信速率保障，即蜂窩用戶存在一個(gè)總功率限制并且每條d2d鏈路在每個(gè)信道上也有一個(gè)功率預(yù)算，因此優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)描述為：

此問(wèn)題為非凸問(wèn)題。引入變量tc替換pc。將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下等價(jià)優(yōu)化問(wèn)題：

根據(jù)信道信息最優(yōu)化每個(gè)信道的獨(dú)立功率限制。如果給定信道分配ωd,c，可以求出最優(yōu)功率控制閉式解：

其中：

通過(guò)求解上式可以得到最優(yōu)功率控制，問(wèn)題轉(zhuǎn)換為二分圖中最大權(quán)值匹配問(wèn)題。蜂窩用戶以及d2d鏈路是頂點(diǎn)集，d2d鏈路在信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為邊的權(quán)值。

其中

是在沒(méi)有d2d用戶復(fù)用該信道時(shí)不滿足安全通信的蜂窩用戶集合。為其他蜂窩用戶集合。

用來(lái)表示原問(wèn)題在當(dāng)前t約束下的最優(yōu)解，此時(shí)我們可以得到hc(tc)在tc處可微，且導(dǎo)數(shù)為：

于是可以得到h(t)的方向?qū)?shù)，進(jìn)而用梯度下降法解決問(wèn)題。

如圖2所示，具體優(yōu)化算法步驟如下：步驟1：設(shè)置蜂窩用戶的發(fā)射功率矩陣p⁰，設(shè)置d2d鏈路d在信道c上的發(fā)射功率矩陣設(shè)置蜂窩用戶的發(fā)射功率預(yù)算矩陣并設(shè)置初始對(duì)偶變量λ⁽⁰⁾＝0和設(shè)置精度ε1＝10^-6、ε2＝2×10^-6、ε3＝10^-8、ε4＝2×10^-8，初始化迭代次數(shù)t＝0、s＝0、k＝0、m＝0；

步驟2：根據(jù)公式

和

更新和以獲得第j對(duì)d2d用戶在蜂窩頻帶i上的最優(yōu)通信速率：其中：

式中：

ai表示蜂窩用戶i與基站的歸一化信道增益，θij表示d2d鏈路j發(fā)射端到蜂窩用戶i的歸一化干擾信道增益，rij表示d2d鏈路j發(fā)射端到蜂窩用戶i的歸一化信道增益，βij表示蜂窩用戶i對(duì)d2d鏈路j的歸一化干擾信道增益，ξijl表示d2d鏈路l在蜂窩頻帶i上對(duì)d2d鏈路j的歸一化干擾信道增益；表示第k次迭代蜂窩用戶i的發(fā)射功率向量，表示d2d鏈路j在蜂窩用戶i信道上的發(fā)射功率向量；和均為迭代函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)向量，表示d2d鏈路j在蜂窩用戶i信道上的發(fā)射功率向量；為蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的信噪比，為第j對(duì)d2d用戶在蜂窩頻帶i上的信噪比；其中j=1,…,d、

步驟3：對(duì)所有i＝1,2,…,c，判斷和是否均成立：若成立，則進(jìn)入步驟4；否則令k＝k+1，返回步驟2；

步驟4：設(shè)置步長(zhǎng)序列其中為步長(zhǎng)序列的第一個(gè)值。

步驟5：求解更新其中

為所有蜂窩用戶最小通信速率；

步驟6：判斷|λ^(s+1)-λ^(s)|<ε2是否成立：若成立，則進(jìn)入步驟7；否則令s＝s+1，返回步驟2；

步驟7：判斷且是否成立：若成立，則將作為當(dāng)前功率預(yù)算下優(yōu)化后的蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率輸出，將作為優(yōu)化后的d2d用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率向量輸出，進(jìn)而求出蜂窩用戶c和d2d鏈路d的最優(yōu)匹配否則令t＝t+1，返回步驟2。

步驟8：根據(jù)公式

計(jì)算其中rd(pc(pd,c),pd,c)表示d2d用戶d的傳輸速率，設(shè)置方向?qū)?shù)

步驟9：計(jì)算:

t^m+1＝[t^m+τmd(t^m)]t；

其中，τm是從迭代步長(zhǎng)序列取出的對(duì)應(yīng)值，t為約束采用注水法來(lái)完成t到t的映射。式t＝[z]t表示為對(duì)于所有c∈c都有tc＝[zi-θ]⁺,其中θ為滿足約束的最低水位。

步驟10：判斷||t^m+1-t^m||<ε3是否成立，若成立，則將t^m作為最優(yōu)功率預(yù)算分配解，為最佳功率分配和最佳信道匹配。進(jìn)而求出所有d2d用戶的通信和速率。否則令m＝m+1,重新初始化其余不相關(guān)參數(shù)，返回步驟2。

具體仿真時(shí)，設(shè)蜂窩半徑為500m，蜂窩頻帶帶寬10mhz，固定d2d發(fā)射機(jī)到接收機(jī)距離為20m，高斯白噪聲功率譜密度為-173dbm/hz，指數(shù)信道衰落指數(shù)為3.5，基站發(fā)射功率預(yù)算為46dbm，d2d鏈路發(fā)射功率預(yù)算為24dbm，蜂窩用戶和d2d用戶隨機(jī)均勻分布在蜂窩中。

圖3展示了蜂窩用戶滿足安全qos條件的概率與d2d鏈路數(shù)用戶之間的關(guān)系，并且將最優(yōu)功率傳輸策略與其他幾種方案比較。

算法1：最優(yōu)發(fā)射功率策略+最優(yōu)d2d鏈路-蜂窩用戶匹配策略；

算法2：最大發(fā)射功率策略+最優(yōu)d2d鏈路-蜂窩用戶匹配策略；

算法3：最優(yōu)發(fā)射功率策略+隨機(jī)d2d鏈路-蜂窩用戶匹配策略；

算法4：最大發(fā)射功率策略+隨機(jī)d2d鏈路-蜂窩用戶匹配策略；

算法5：平均發(fā)射功率策略+最優(yōu)d2d鏈路-蜂窩用戶匹配策略

可以看出，當(dāng)d2d鏈路數(shù)增加時(shí)，算法1下蜂窩用戶滿足安全qos條件的概率顯著增加。這說(shuō)明d2d對(duì)蜂窩用戶的安全通信有顯著作用。

圖4展示了d2d用戶平均通信速率與d2d鏈路數(shù)量的關(guān)系，可以看出，當(dāng)d2d鏈路數(shù)增加時(shí)，算法1下d2d用戶平均通信速率增加顯著超過(guò)了其他算法。這說(shuō)明d2d通信提高了蜂窩用戶的頻帶利用率。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。