一种安全高能效的认知D2D通信方法技术

本发明专利技术涉及一种安全高能效的认知D2D通信方法，小蜂窝基站和认知用户分别进行信道质量评估；建立关于无线充电功率和无线充电时间的联合资源分配模型；采用迭代优化算法计算最优资源分配结果；以最优无线充电功率发射射频信号；认知用户在最优无线充电时间内收集射频信号能量；小蜂窝基站以最优无线充电功率干扰窃听者，认知用户设置自身的最大可行发射功率，并进行认知D2D通信。本发明专利技术面向超密集小蜂窝网络，在利用认知无线电技术实现频谱共享，并采用能量收集技术为认知用户进行无线充电的同时，通过人工噪声对窃听者进行干扰，可以实现安全高能效的认知D2D通信，有效提高频谱效率、能量效率以及物理层安全。

【技术实现步骤摘要】
一种安全高能效的认知D2D通信方法
本专利技术涉及无线通信技术，具体地说是一种安全高能效的认知D2D通信方法。
技术介绍
频谱资源的稀缺和能量供应的持续性问题始终是无线通信系统所面临的重要挑战性难题，因此，学术界和工业界始终致力于提升无线通信系统的频谱效率和能量效率。超密集网络(Ultra-DenseNetworks)和设备到设备通信(Device-to-Device，D2D)作为提升频谱效率和网络容量，并降低终端能耗的有效方法，已经成为第5代(5G)移动通信系统的关键技术。所谓超密集网络就是通过大量部署小蜂窝基站(SmallCellBaseStation，SCBS)使得网络密集化。这样，一方面可以增强网络的覆盖，大幅提升网络容量，并进一步提高频谱效率；另一方面也可以降低基站与用户的距离，进而降低用户的能耗。与此同时，通过采用层叠、覆盖等不同信道接入方式，D2D通信可以实现用户之间的直接数据通信。这样，基站只需要少量的控制指令对用户间的通信进行协调即可，而不再需要为用户传输大量的数据，将大幅降低网络开销和设备能耗，提高频谱效率。因此，在超密集网络下，用户之间通过采用D2D方式直接进行数据通信，可以同时提升频谱效率和能量效率，实现绿色通信。然而，在超密集网络下，进行D2D通信的用户必须保证不影响其他用户的正常通信。为此，可以采用认知无线电(CognitiveRadio)技术进行认知D2D通信，实现普通用户与认知用户(CognitiveUser，CU)在授权蜂窝信道的并行通信与共存。但是，认知用户CU进行认知D2D通信时需要通过频谱感知等方式获取实时信道状态信息，造成能耗的显著提高，进而缩短设备的使用时间。尽管传统的低功耗算法可以提高能量效率，在一定程度上延长设备的使用时间，但是并不能彻底解决用户设备的能量受限问题。随着能量收集技术的快速发展，其能量收集效率越来越高，已经可以为传感器节点等不同设备提供越来越多的能量供应。在能量收集技术的基础上，利用电磁耦合、射频辐射等方式，无线充电则可以为设备提供更加持续、稳定地能量供应，突破传统能量收集技术完全依靠风能、太阳能等随机能量源的限制，实现设备的长期灵活应用。目前，为设备配备能量收集装置，并采用无线充电技术为其进行持续、灵活的能量供应已经开始大范围推广和应用。因此，采用无线充电技术，在具备能量收集能力的认知用户CU之间进行认知D2D通信将有效解决无线通信系统的频谱稀缺和能量受限问题。然而，在对认知用户CU进行无线充电时，将不可避免地对普通用户造成干扰。因此，对无线充电参数的设置以及通信资源的分配是确保有效充电与无干扰通信的关键问题。与此同时，由于用户对通信安全性的要求越来越高，保障认知用户CU的通信安全也是亟待解决的另一关键问题。目前，除了传统的数据加密技术，物理层安全技术也被证明是提高通信安全性的有效方法。物理层安全技术通过探索信道的实时变化特点，并及时调整设备的通信参数，可以有效降低传输信息被窃听的概率，提高通信安全。传统的物理层安全方法所面向的无线通信系统仅考虑了频谱效率或能量效率的一方面问题，对超密集蜂窝网络缺乏适用性，难以确保无干扰的频谱共享及安全通信。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种安全高能效的认知D2D通信方法，面向超密集小蜂窝网络，同时考虑了无线通信的频谱效率、能量效率和通信安全。在利用能量收集技术为认知用户CU进行无线充电的同时，通过人工噪声对窃听者进行干扰，可以有效提高频谱效率、能量效率以及物理层安全。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种安全高能效的认知D2D通信方法，包括以下步骤：步骤1：小蜂窝基站SCBS和认知用户CU分别进行信道质量评估，确定各链路间的信道功率增益，并汇聚给小蜂窝基站SCBS；步骤2：小蜂窝基站SCBS建立关于无线充电功率和无线充电功率时间的联合资源分配模型；步骤3：小蜂窝基站SCBS采用迭代优化算法计算最优无线充电功率和最优无线充电时间，并广播给认知用户CU；步骤4：小蜂窝基站SCBS以最优无线充电功率发射射频信号；同时，认知用户CU在最优无线充电时间内收集小蜂窝基站SCBS的射频信号能量；步骤5：小蜂窝基站SCBS以最优无线充电功率干扰窃听者，认知用户CU根据其收集的能量和普通用户所能承受的最大干扰功率，设置自身的最大可行发射功率，并进行认知D2D通信。所述小蜂窝基站SCBS具有固定能量源，可以根据普通用户和认知用户CU的需要调节其发射功率，并调度两者在授权蜂窝信道的通信。所述普通用户可以自适应小蜂窝基站SCBS发射功率的改变。所述信道质量评估包括：小蜂窝基站SCBS评估其与认知用户发送端CU-TX、普通用户以及窃听者之间链路的信道质量，确定信道功率增益；认知用户发送端CU-TX评估其与认知用户接收端CU-RX、普通用户以及窃听者之间链路的信道质量，确定信道功率增益，并发送给小蜂窝基站SCBS。所述建立关于无线充电功率和无线充电功率时间的联合资源分配模型为其中，为认知D2D通信的安全速率，Rr为认知用户接收端CU-RX获得的接收速率，Re为窃听者获得的窃听速率，τ为认知用户CU的无线充电时间，Ps为小蜂窝基站SCBS的无线充电功率，Pmax为小蜂窝基站SCBS的硬件最大发射功率，Qc为普通用户能承受的最大干扰功率，Pt为认知用户发送端CU-TX的发射功率，ξ为认知用户发送端CU-TX的能量收集效率，Pc为认知用户发送端CU-TX的电路消耗功率，为认知用户接收端CU-RX处的噪声功率，为窃听者处的噪声功率，Φ为小蜂窝基站SCBS覆盖区域内普通用户的集合，hr、he、hi(i∈Φ)分别为认知用户发送端CU-TX与认知用户接收端CU-RX、窃听者、普通用户i之间各链路的信道功率增益，gt、gr、ge分别为小蜂窝基站SCBS与认知用户发送端CU-TX、认知用户接收端CU-RX、窃听者的信道功率增益。所述迭代优化算法包括以下步骤：步骤1：给定Ps∈[0,Pmax]，建立求解无线充电时间的模型为并将其转化为其中，t＝1-τ，E＝Ptt，采用凸优化技术中的原始分解方法求解t，得到进而计算给定Ps情况下的无线充电时间为其中，ρ是等式的根，μr＝1-γr(ξPsgt+Pc)，μe＝1-γe(ξPsgt+Pc)，ωr＝γrξPsgt，ωe＝γeξPsgt，步骤2：给定τ∈[0,1]，采用一维搜索方法求解关于无线充电功率的模型得到给定τ情况下的无线充电功率Ps；步骤3：循环执行步骤1和步骤2，对τ和Ps进行迭代求解，直至收敛，获得最优无线充电功率Ps*和最优无线充电时间τ*，即最优资源分配结果(Ps*,τ*)；τ为认知用户CU的无线充电时间，Ps为小蜂窝基站SCBS的无线充电功率，Pmax为小蜂窝基站SCBS的硬件最大发射功率，Qc为普通用户能承受的最大干扰功率，Pt为认知用户发送端CU-TX的发射功率，ξ为认知用户发送端CU-TX的能量收集效率，Pc为认知用户发送端CU-TX的电路消耗功率，为认知用户接收端CU-RX处的噪声功率，为窃听者处的噪声功率，Φ为小蜂窝基站SCBS覆盖区域内普通用户的集合，gt、gr、ge分别为小蜂窝基站SCBS与认知用户发送端CU-TX、认知用户接收端CU-RX、窃听者的信道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：小蜂窝基站和认知用户分别进行信道质量评估，确定各链路间的信道功率增益，并汇聚给小蜂窝基站；步骤2：小蜂窝基站建立关于无线充电功率和无线充电功率时间的联合资源分配模型；步骤3：小蜂窝基站采用迭代优化算法计算最优无线充电功率和最优无线充电时间，并广播给认知用户；步骤4：小蜂窝基站以最优无线充电功率发射射频信号；同时，认知用户在最优无线充电时间内收集小蜂窝基站的射频信号能量；步骤5：小蜂窝基站以最优无线充电功率干扰窃听者，认知用户根据其收集的能量和普通用户所能承受的最大干扰功率，设置自身的最大可行发射功率，并进行认知通信。

【技术特征摘要】
1.一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：小蜂窝基站和认知用户分别进行信道质量评估，确定各链路间的信道功率增益，并汇聚给小蜂窝基站；步骤2：小蜂窝基站建立关于无线充电功率和无线充电功率时间的联合资源分配模型；步骤3：小蜂窝基站采用迭代优化算法计算最优无线充电功率和最优无线充电时间，并广播给认知用户；步骤4：小蜂窝基站以最优无线充电功率发射射频信号；同时，认知用户在最优无线充电时间内收集小蜂窝基站的射频信号能量；步骤5：小蜂窝基站以最优无线充电功率干扰窃听者，认知用户根据其收集的能量和普通用户所能承受的最大干扰功率，设置自身的最大可行发射功率，并进行认知通信。2.根据权利要求1所述的一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于：所述小蜂窝基站具有固定能量源，可以根据普通用户和认知用户的需要调节其发射功率，并调度两者在授权蜂窝信道的通信。3.根据权利要求1或2所述的一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于：所述普通用户可以自适应小蜂窝基站发射功率的改变。4.根据权利要求1所述的一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于：所述信道质量评估包括：小蜂窝基站评估其与认知用户发送端、普通用户以及窃听者之间链路的信道质量，确定信道功率增益；认知用户发送端评估其与认知用户接收端、普通用户以及窃听者之间链路的信道质量，确定信道功率增益，并发送给小蜂窝基站。5.根据权利要求1所述的一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于：所述建立关于无线充电功率和无线充电功率时间的联合资源分配模型为：其中，Rs为认知D2D通信的安全速率，Rr为认知用户接收端获得的接收速率，Re为窃听者获得的窃听速率，τ为认知用户的无线充电时间，Ps为小蜂窝基站的无线充电功率，Pmax为小蜂窝基站的硬件最大发射功率，Qc为普通用户能承受的最大干扰功率，Pt为认知用户发送端的发射功率，ξ为认知用户发送端的能量收集效率，Pc为认知用户发送端的电路消耗功率，为认知用户接收端处的噪声功率，为窃听者处的噪声功率，Φ为小蜂窝基站覆盖区域内普通用户的集合，hr、he、hi分别为认知用户发送端与认知用户接收端、窃听者、普通用户i(i∈Φ)之间各链路的信道功率增益，gt、gr、ge分别为小蜂窝基站与认知用户发送端、认知用户接收端、窃听者的信道功率增益。6.根据权利要求1所述的一种安全高能效的认知D2D通信方法，其特征在于：所述迭代优化算法包括以下步骤：步骤1：给定Ps∈[0,Pmax]，建立求解无线充电时间的模型为并将其转化为其中，t＝1-τ，E＝Ptt，采用凸优化技术中的原始分解方法求解t，得到进而计算给定Ps情况下的无线充电时间为其中，ρ是等式的根，μr＝1-γr(ξPsgt+Pc)，μe＝1-γe(ξ...

【专利技术属性】
技术研发人员：许驰，曾鹏，于海斌，宋纯贺，王照伟，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21