異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的安全發(fā)送波束成形設(shè)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)中，考慮物理層安全的前提下的安全波束成形設(shè)計(jì)，確切地說(shuō)，在兩種頻譜分配策略前提下，通過(guò)波束成形設(shè)計(jì)來(lái)保證宏基站發(fā)送信息的安全，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能手機(jī)，平板電腦以及端到端通信的飛速發(fā)展，對(duì)于無(wú)線無(wú)縫覆蓋網(wǎng)絡(luò)的需求不斷提高，特別是高的移動(dòng)數(shù)據(jù)速率和可靠的安全特性。為了有效提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜及功率效率，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署密度需得到提高。因此，HetNet得到了廣泛關(guān)注，并且被認(rèn)為是提高網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積最有前景的技術(shù)。HetNet包括具有不同發(fā)射功率的不同類型的基站。其中，宏基站(MBS)能夠提供公共接口，并且能夠覆蓋數(shù)公里范圍內(nèi)的全部宏用戶(MU)。微小區(qū)基站，比如微基站(FBS)，存在于宏小區(qū)并安裝在建筑物等室內(nèi)環(huán)境中，靠近微用戶(FU)。HetNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的單層蜂窩網(wǎng)絡(luò)更加開放，多樣性更加復(fù)雜，這就使得信息交換更加容易被竊聽者獲取。近年來(lái)，物理層安全提供了多種保證無(wú)線通信安全的可行性技術(shù)，因此，它可以應(yīng)用于HetNet網(wǎng)絡(luò)。
[0003]無(wú)線通信安全一般都是考慮高層基于密鑰的方法。這種方法是基于竊聽者的計(jì)算能力不足以破解密鑰。然而，隨著設(shè)備計(jì)算能力的飛速發(fā)展，這種基于密鑰的方法無(wú)法保證完美的安全。物理層安全作為一種新興的保證安全的方法，它不需要考慮竊聽者的計(jì)算能力。物理層安全的基本思想是利用無(wú)線信道隨機(jī)性，使得竊聽者處對(duì)信號(hào)的模糊度最大化。現(xiàn)有的有關(guān)物理層安全的研宄都集中在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于HetNet網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全還為曾涉足。
[0004]由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致HetNet中不可避免地存在各種干擾。從物理層安全的角度講，引入干擾可以提高安全性能?；诖?，HetNet中的這些干擾通過(guò)合適的頻譜規(guī)劃和協(xié)作波束成形可以用來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)中的安全速率

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明考慮兩種頻譜共享策略，并提出三種波束成形設(shè)計(jì)算法。我們考慮兩層的下彳丁 HetNet網(wǎng)絡(luò)，包括個(gè)宏基站，多個(gè)微基站，宏基站和微基站服務(wù)相應(yīng)的宏用戶及微用戶。其中某一個(gè)宏用戶企圖竊聽另一個(gè)宏用戶的信息。
[0006](I)正交頻譜共享(OSS)
[0007]宏基站和相鄰的微基站分配正交的頻率資源，從而消除了跨層干擾及相鄰微小區(qū)之間的干擾。通過(guò)利用OSS，場(chǎng)景可以簡(jiǎn)化為廣播信道下的安全通信問(wèn)題。
[0008](11)只在宏基站處的波束成形設(shè)計(jì)(STB-OM):在STB-OM中，我們的目標(biāo)是在滿足其他宏用戶QoS的條件下，最大化被竊聽宏用戶的安全速率。
[0009](12)在STB-OM機(jī)制中，為了解決相應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題，我們利用一階泰勒近似，將非凸的原問(wèn)題轉(zhuǎn)變成了二階錐問(wèn)題(SOCP)，并通過(guò)迭代得到局部最優(yōu)解。我們提出的STB-OM機(jī)制跟傳統(tǒng)的廣播信道中的STB設(shè)計(jì)并不相同，因?yàn)樵赟TB-OM中，我們假設(shè)有多個(gè)宏用戶，只有一個(gè)被竊聽，因此，在發(fā)送保密信息的同時(shí)，還需要發(fā)送到其他為被竊聽用戶的信息。
[0010](2)面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS)
[0011]由于有用干擾可以用來(lái)提高安全速率，我們可以在HetNet中有意地引入干擾，因此，我們提出了面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS)策略。在SONOSS中，我們令竊聽者附近的微基站分配與宏基站相同的頻譜，這些微基站通過(guò)與宏基站協(xié)作來(lái)提高安全性能。特別地，在該場(chǎng)景下，我們提出兩種安全發(fā)送波束成形(STB)設(shè)計(jì)。
[0012](21)宏基站和微基站順序地進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-SMF):在該機(jī)制中每一個(gè)協(xié)作的微基站無(wú)私的進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)來(lái)最大化對(duì)竊聽者的干擾，它同時(shí)服務(wù)自己的微用戶，但不保證其QoS。微基站在計(jì)算出其對(duì)竊聽者的干擾后，將其反饋給宏基站，宏基站據(jù)此利用STB-OM機(jī)制計(jì)算其發(fā)送波束成形。
[0013](22)在STB-SMF中，原優(yōu)化問(wèn)題可以等效為S0CP。值得注意的是，在該機(jī)制中，每一個(gè)協(xié)作的微用戶利用局部CSI進(jìn)行STB設(shè)計(jì)，并且只反饋給宏基站一個(gè)標(biāo)量(對(duì)竊聽者的最大干擾)，因此相對(duì)于STB-OM，STB-SMF只引入了很少的開銷。
[0014](23)宏基站和微基站聯(lián)合進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-JMF):在該機(jī)制中，每個(gè)協(xié)作的微基站反饋其信道狀態(tài)信息(CSI)到宏基站，宏基站進(jìn)行聯(lián)合波束成形設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的目的是在保證宏用戶和微用戶QoS的條件下，最大化被竊聽宏用戶的安全速率。
[0015](24) STB-JMF在被竊聽宏用戶和其他未被竊聽的宏用戶和微用戶的QoS之間保證了更好地平衡。這個(gè)復(fù)雜的原問(wèn)題是非凸的，我們將其分解為容易解決的兩個(gè)階段問(wèn)題。我們首先固定竊聽者處的信干燥比(SINR)，得到內(nèi)部?jī)?yōu)化，外部?jī)?yōu)化為一維搜索。其中內(nèi)部?jī)?yōu)化可以通過(guò)使用半定松弛(SDR)轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃(SDP)問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是STB-OM機(jī)制的一種系統(tǒng)模型。
[0017]圖2是STB-SMF機(jī)制的一種系統(tǒng)模型。
[0018]圖3是STB-JMF機(jī)制的一種系統(tǒng)模型。
[0019]圖4是在三種機(jī)制下，被竊聽用戶的安全速率與宏基站發(fā)送功率關(guān)系的仿真圖。
[0020]圖5是在STB-SMF和STB-JMF機(jī)制下，被竊聽用戶的安全速率與微基站發(fā)送功率關(guān)系的仿真圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0022](I)參見圖1，在STB-OM機(jī)制的系統(tǒng)模型中，包括一個(gè)宏基站，兩個(gè)宏用戶和一個(gè)竊聽者，竊聽者竊聽其中一個(gè)宏用戶；該模型等效于廣播信道模型；其中的實(shí)線表示有用數(shù)據(jù)流，虛線表示干擾流。
[0023]我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)是在保證為被竊聽用戶QoS，也就是SINR的前提下，最大化被竊聽用戶的安全速率。原優(yōu)化問(wèn)題非凸，要想找到其最優(yōu)解是非常困難的，因此，我們利用一種低復(fù)雜度的迭代算法，通過(guò)解決多個(gè)SOCP問(wèn)題得到原始問(wèn)題的局部最優(yōu)解。實(shí)際上，通過(guò)合理地選擇迭代起始點(diǎn)，得到的局部最優(yōu)解即為全局最優(yōu)解。
[0024](2)參見圖2，在STB-SMF機(jī)制的系統(tǒng)模型中，包括一個(gè)宏基站，兩個(gè)宏用戶，兩個(gè)微基站，每個(gè)微基站服務(wù)一個(gè)微用戶，一個(gè)竊聽者企圖竊聽某一個(gè)宏用戶；該模型等效于干擾網(wǎng)絡(luò)模型；其中黑色實(shí)線表示有用數(shù)據(jù)流，黑色虛線表示干擾流，灰色線表示在該機(jī)制中沒(méi)有考慮的數(shù)據(jù)流和干擾流，藍(lán)色點(diǎn)線表示微基站反饋給宏基站的數(shù)據(jù)。
[0025]在該機(jī)制中，我們將竊聽者附近的微基站分配與宏基站相同的頻譜，并且強(qiáng)迫這些微基站作為干擾源來(lái)干擾竊聽者。也就是說(shuō)，微基站最大化對(duì)竊聽者的干擾，同時(shí)服務(wù)自己的微用戶，但不保證其QoS。微基站在計(jì)算出其對(duì)竊聽者的干擾后，將其反饋給宏基站，宏基站據(jù)此利用STB-OM機(jī)制計(jì)算其發(fā)送波束成形。
[0026](3)參見圖3，在STB-JMF機(jī)制的系統(tǒng)模型中，包括一個(gè)宏基站，兩個(gè)宏用戶，兩個(gè)微基站，每個(gè)微基站中包括一個(gè)微用戶，一個(gè)竊聽者企圖竊聽某一個(gè)宏用戶；該模型等效于干擾網(wǎng)絡(luò)模型；實(shí)線表示有用數(shù)據(jù)流，虛線表示干擾流，藍(lán)綠色點(diǎn)線表示微基站到宏基站的SCI流，紅色虛線表示宏基站到微基站的STB。
[0027]STB-JMF在被竊聽宏用戶和其他未被竊聽的宏用戶和微用戶的QoS之間保證了更好地平衡。這個(gè)復(fù)雜的原問(wèn)題是非凸的，我們將其分解為容易解決的兩個(gè)階段問(wèn)題。我們首先固定竊聽者處的信干燥比(SINR)，得到內(nèi)部?jī)?yōu)化，外部?jī)?yōu)化為一維搜索。其中內(nèi)部?jī)?yōu)化可以通過(guò)使用半定松弛(SDR)轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃(SDP)問(wèn)題。
[0028]為了展示本發(fā)明中各種機(jī)制的實(shí)用性能，申請(qǐng)人進(jìn)行了多次仿真實(shí)施試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)的結(jié)果如圖4和圖5所示。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)中的基于物理層安全的波束成形設(shè)計(jì)，我們提出兩種頻譜共享機(jī)制:正交頻譜共享(OSS)和面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS)。 (1)正交頻譜共享(OSS) 宏基站和相鄰的微基站分配正交的頻率資源，從而消除了跨層干擾及相鄰微小區(qū)之間的干擾。通過(guò)利用0SS，場(chǎng)景可以簡(jiǎn)化為廣播信道下的安全通信問(wèn)題。 (11)只在宏基站處的波束成形設(shè)計(jì)(STB-OM)。在STB-OM中，我們的目標(biāo)是在滿足其他宏用戶QoS的條件下，最大化被竊聽宏用戶的安全速率。 (2)面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS) 由于有用干擾可以用來(lái)提高安全速率，我們可以在HetNet中有意地引入干擾，因此，我們提出了面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS)策略。在SONOSS中，我們令竊聽者附近的微基站分配與宏基站相同的頻譜，這些微基站通過(guò)與宏基站協(xié)作來(lái)提高安全性能。特別地，在該場(chǎng)景下，我們提出兩種安全發(fā)送波束成形(STB)設(shè)計(jì)。 (21)宏基站和微基站順序地進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-SMF):在該機(jī)制中每一個(gè)協(xié)作的微基站無(wú)私的進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)來(lái)最大化對(duì)竊聽者的干擾，它同時(shí)服務(wù)自己的微用戶，但不保證其QoS。微基站在計(jì)算出其對(duì)竊聽者的干擾后，將其反饋給宏基站，宏基站據(jù)此利用STB-OM機(jī)制計(jì)算其發(fā)送波束成形。 (22)宏基站和微基站聯(lián)合進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-JMF):在該機(jī)制中，每個(gè)協(xié)作的微基站反饋其信道狀態(tài)信息(CSI)到宏基站，宏基站進(jìn)行聯(lián)合波束成形設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的目的是在保證宏用戶和微用戶QoS的條件下，最大化被竊聽宏用戶的安全速率。
【專利摘要】在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)基于物理層安全的波束成形設(shè)計(jì)中，我們假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)竊聽者竊聽某一個(gè)宏用戶。我們提出兩種頻譜共享機(jī)制：正交頻譜共享(OSS)和面向安全的非正交頻譜共享(SONOSS)。在OSS機(jī)制中，由于各個(gè)基站之間頻譜相互正交，所以它們之間不存在干擾。每個(gè)小區(qū)都相當(dāng)于一個(gè)廣播信道。基于此，我們提出只在宏基站處的波束成形設(shè)計(jì)(STB-OM)的方法，用來(lái)最大化安全速率。為了利用HetNet網(wǎng)絡(luò)中的干擾來(lái)提高安全性能，我們提出SONOSS的頻譜共享機(jī)制；在SONOSS機(jī)制下，宏基站和若干微基站共享頻譜，因此，它們之間存在同頻干擾問(wèn)題。我們提出宏基站和微基站順序地進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-SMF)方法和宏基站和微基站聯(lián)合進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)(STB-JMF)方法，用來(lái)最大化安全速率。
【IPC分類】H04W16-28, H04W16-14
【公開號(hào)】CN104853362
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510142231
【發(fā)明人】高暉, 呂鐵軍, 周劍
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月27日