多用户译码转发中继网络功率分配以及安全波束成形设计制造技术

在多用户译码转发(DF)中继网络(MP‑DFRN)中,我们提出了一种可以保证安全用户通信安全的波束成形和功率分配的联合设计方案。在MP‑DFRN网络中，多个用户同时并发地向中继发送独立数据，中继将所接收的信号解码后，向目标用户群广播。为了避免多用户的并发传输严重干扰DF中继的解码，以及合理利用用户信息干扰来保证安全，我们提出了一种基于完美信道状态信息下的联合安全波束成形和功率分配的方法，并通过凸优化的理论方法实现该方案。并在该优化的框架基础上，提出了一种最小化能量消耗的方法，并保证安全和其他非安全用户的通信质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)中，考虑物理层安全的前提下的安全波束成形和功率分配方案的联合设计，确切地说，在两种目标下，通过波束成形设计来保证安全用户发送信息的安全以及非安全用户的服务质量(QoS)，属于无线通信

技术介绍
随着智能手机，平板电脑以及端到端通信的飞速发展，对于无线无缝覆盖网络的需求不断提高，特别是高的移动数据速率和可靠的安全特性。为了有效提高无线网络的频谱及功率效率，不同网络节点的部署密度需得到提高。因此，协作网络得到了广泛关注，并且被认为是提高网络容量及网络覆盖面积最有前景的技术。其中多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)这一种实际场景，也引起了广泛关注，该网络常见于很多传感器网络中。在该网络中，多个收发对通过一个译码转发(DF)中继进行通信，这意味着网络中存在干扰的问题，所以选择合适的干扰管理对于网络性能有着十分重要的意义。并且，在MP-DFRN中，发送端的并发传输可能会产生强烈的互干扰，影响DF中继的译码，所以功率分配也是十分必要的。同样值得注意的是，MP-DFRN也由于无线网络的开放性而存在较为严重的窃听风险。无线通信安全一般都是考虑高层基于密钥的方法。这种方法是基于窃听者的计算能力不足以破解密钥。然而，随着硬件设备计算能力的飞速发展，这种基于密钥的方法无法保证完美的安全。物理层安全作为一种新兴的保证安全的方法，它不需要考虑窃听者的计算能力。物理层安全的基本思想是利用无线信道随机性，使得窃听者处对信号的模糊度最大化。现有的有关物理层安全的研究对于MP-DFRN还为曾涉足。由于MP-DFRN中存在并发传输，所以干扰问题十分棘手，但是从另一方面来看，这些干扰也可以被利用起来提高安全性能。因此，MP-DFRN中的干扰可以通过联合设计波束成形以及功率分配方案来利用，以此提高安全用户的安全容量，并保证其他非安全用户的服务质量(QoS)。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术主要提出了一种波束成形和功率分配的联合设计算法，该算法可以在发送功率给定时最大化安全容量，也适用于安全阈值给定时最小化系统发送功率。我们考虑单向MP-DFRN中，包括多个发送端以及他们的目标接收端，这些收发对通过一个译码转发中继来实现通信。其中一个用户对的信息是保密信息，并且存在一个窃听者企图窃听中继转发出的信息。其特征在于：当目标为最大化安全速率时，原始问题可表述为s.t.Rk≥12log2(1+rk),k≠k*,]]>Σk=1K(||wk||2+Pk)≤P‾,Pk≥0,]]>Sk，Dk表示第k对收发对中的发端和收端，k*表示保密用户对,R表示中继，表示从Sk到Dk的信道容量，RRE表示中继到窃听者间的信道容量。wk，Pk分别表示波束成形和发射功率，rk表示非安全用户对的QoS约束阈值。所述方法包括下列两个步骤：(1)初始化阶段：由于存在用户间干扰，导致安全速率这个目标函数为非凸函数，以及非安全用户的QoS约束都为难以处理非凸约束。我们通过引入松弛变量，将目标函数转化为线性函数。然后，通过渐近凸逼近(SCA)以及一阶泰勒展开(FOTE)的方式，将非凸的约束条件逐一转变为凸约束。(11)将目标函数通过松弛变量转变为一个线性函数t，而非凸约束可以通过SCA以及FOTE的数学方法转变为一系列凸约束。如下：s.t.Σk=1K(||wk||2+Pk)≤P‾,Pk≥0,]]>p-q≥t，p，q≥0，Σi≠k*,i=1K|hRDkHwi|2+σDk*2≤v1,v1≥0,]]>Re{2(w~k*(n))HHRDk*wk*v~1(n)本文档来自技高网...

【技术保护点】
多用户译码转发中继网络(MP‑DFRN)中的波束成形和功率分配联合设计方案，用于下述场景：包括多个发送端，同时和其目标用户通过DF中继来实现通信，组成多个发送接收对，其中一对用户为安全用户，其发送信息为保密数据。网络中存在一个窃听者，可以收到中继广播出的信息。针对该网络，我们提出两个目标：(1)最大化安全用户的安全速率在MP‑DFRN网络中，通过波束成形和功率分配的联合设计，最大化安全用户的信道容量，同时保证其他非安全用户的服务质量(QoS)。安全用户的安全容量为第一跳和第二跳容量的最小值，所以可以通过各个发送端和中继处的合理的功率分配来减少互干扰的影响，提升第一跳中的容量。然后，通过在中继处设计波束成形方案。(2)最小化系统发送功率在保证安全用户的容量以及非安全用户的QoS大于预设阈值的情况下，通过设计波束成形和功率分配方案，使得系统总消耗的发送能量最小化。

【技术特征摘要】
2016.07.15 CN 20161056126241.多用户译码转发中继网络(MP-DFRN)中的波束成形和功率分配联合设计方案，用于下述场景：包括多个发送端，同时和其目标用户通过DF中继来实现通信，组成多个发送接收对，其中一对用户为安全用户，其发送信息为保密数据。网络中存在一个窃听者，可以收到中继广播出的信息。针对该网络，我们提出两个目标：(1)最大化安全用户的安全速率在MP-...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕铁军，曹若菡，王玮琛，高晖，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11