基于有效安全容量的最优功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于有效安全容量的最优功率分配方法，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，该方法包括的具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于有效安全容量的最优功率分配方法。
技术介绍
：由于无线媒质的开放性以及无线广播的不稳定性，无线通信的安全性成为了日益突出的问题。随着保密数据传输的爆炸性增长，无线通信的安全性受到了越来越多的关注。传统的实现安全的方式为加密技术，它的优势在于即使窃听者窃听到传输的信息，可能由于无法获得密钥而不能获取传输的信息。但是加密技术有两个明显的弊端：一、密钥在传输过程中可能被窃取；二、这种加密技术是建立在运算量的基础上的，计算机运算能力越强，密钥被破解的可能性越大。随着人们对物理层特性的深入理解，学者提出可以通过物理层安全技术实现安全通信。所谓的物理层安全技术是指利用物理层的特性——如衰落或干扰等来实现系统的安全性能。常用的物理层安全技术有密钥协商、信道编码、协作干扰等。作为一种有效的物理层安全技术，协作干扰是指对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，使得其对窃听者的干扰高于对合法用户的，从而提高主信道的性能。很多研究已经将协作干扰技术应用于不同的场景中，以提高无线系统的安全性能。然而，对于现实中的很多通信系统，如网络语音电话系统和视频交互系统等除了要满足安全性能外还需要保证一定的服务质量(QualityofService,QoS)。此时在衡量系统的性能时需要将服务质量的要求考虑在内。然而，现有的很多基于无线系统性能的功率分配方案大都不考虑时延QoS或者只考虑非常严格或宽松的情况，因此研究差异性的时延QoS保障问题有着重要的意义。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供了一种基于有效安全容量的最优功率分配方法，该方法不仅能够保证无线通信的安全性，而且能够适应差异性时延QoS的保障。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现：基于有效安全容量的最优功率分配方法，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，假设协作干扰机知道所有信道的信道状态信息；所有的信道均为瑞利块衰落信道；通过设计协作干扰机处的波束赋形矢量，对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：101)发射机以数据帧的形式发送数据，得到在第i帧时合法用户和窃听者接收到的信号；102)利用合法用户和窃听者接收到的信号，得到有效安全容量的表达式。本专利技术进一步的改进在于，步骤101)中，合法用户和窃听者接收到的信号分别为：其中，PS表示发射机的功率，是恒定的；PJ表示协作干扰机的功率，且xs表示发射机发送的信号，且E[|xs|2]＝1；ωz表示协作干扰机发送的信号，其中，表示协作干扰机处的波束赋形矢量，且ω＝(ω1,ω2,...ωm)T，||ω||2＝1；z表示干扰信号，且E[|z|2]＝1；nD和nE表示零均值的循环对称复高斯随机变量，且独立同分布；hS,D∈C1×1表示发射机到合法用户的信道；hS,E∈C1×1表示发射机到窃听者的信道；hJ,D∈Cm×1表示协作干扰机到合法用户的信道，其中hJ,D＝(hJ,D1,hJ,D2,...hJ,Dm)T；hJ,E∈Cm×1表示协作干扰机到窃听者的信道，其中hJ,E＝(hJ,E1,hJ,E2,...hJ,Em)T。本专利技术进一步的改进在于，步骤102)中，有效安全容量C(θ)的表达式为：其中，θ为服务质量指数；T为一帧的持续时间；B为带宽；R为表示安全速率。本专利技术进一步的改进在于，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，具体如下：s.t:0≤R≤RSPJ≥0其中，PJ表示每一种信道状态下协作干扰机分配的功率；表示协作干扰机处的波束赋形矢量；RS表示安全容量；表示协作干扰机所能分配的最大平均功率。本专利技术进一步的改进在于，设计协作干扰机处的波束赋形矢量得到安全容量新的表达式；接着，将安全容量分大于零和等于零两种情况进行讨论，得出新的优化问题；s.t.PJ≥0其中，PS表示发射机Alice的功率，是恒定的；表示发射机到合法用户对噪声归一化的信道增益；表示发射机到窃听者对噪声归一化的信道增益；表示协作干扰机到窃听者对噪声归一化的信道增益；表示协作干扰机到合法用户和窃听者信道之间夹角余弦值的平方；通过拉格朗日对偶函数求解新的优化问题，并通过不断迭代拉格朗日乘子得到新的优化问题的最优解。本专利技术进一步的改进在于，新的优化问题对应的拉格朗日函数为：其中，λR、λP、ν为拉格朗日乘子；对应的拉格朗日对偶函数为：令，将限制条件代入fz(PJ,λP,ν)，可得其中，新的优化问题的求解：因为则hz(PJ,λP,ν)是关于PJ的凸函数，故hz(PJ,λP,ν)的最小值当其一阶导数等于0时取得令得到令，a＝PSzS,E、b＝zJ,Eα、c＝(1+PSzS,D)β、d＝αβPSzS,EzJ,E；则上式写为令其是PJ的减函数；得出下式所示的发射机的局部最优功率Ploopt接着，通过下面所示的算法求解发射机的最优功率Popt，并通过迭代算法来求解新的优化问题；步骤1：初始化Popt和ν值初始化Popt＝0；找到νl和νu，使其分别满足和反复执行如下步骤2和3，直至成立，其中，ε为很小的正实数，并求出对偶问题的解；步骤2：步骤2.1：ν＝(νl+νu)/2，对于每一种信道状态，利用式分别求出局部最优的功率Ploopt；步骤2.2：如果hz(Ploopt,λP,ν)＜fz(0,0,λP,ν)，最优功率Popt＝Ploopt；否则，Popt＝0；步骤3：更新νl和νu；如果νu＝ν；否则νl＝ν。与现有技术相比，本专利技术具有以下的技术效果：本专利技术通过配备协作干扰机，采用协作干扰技术对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，以提高系统的安全性能，并且克服了加密技术随着计算量的增加而失效的弊端。本专利技术考虑了不同用户的差异化时延QoS要求，不再单纯的从信息论的角度出发，仅仅以系统的遍历容量或中断容量为优化目标去实现功率分配。本专利技术能够满足用户不同时延服务质量的要求，这在语音电话系统和视频交互系统中有着很广泛的用途。本专利技术综合考虑安全性和时延服务质量两方面的性能，提出了基于有效安全容量的最优功率分配方案。下面的表格给出了本文所提的功率分配方案与其它方案之间的性能比较；由上述表格可知，本专利技术均优于等功率的分配方案及不配备干扰机的方案。附图说明：图1为安全通信系统考虑时延服务质量要求时的传输模式图2为不同方案之间有效安全容量性能的比较；图3为发射机和协作干扰机处于不同功率时有效安全容量的性能；图4为总功率以及协作干扰机的功率占总功率的比重变化时有效安全容量性能；图5为不同方案之间时延服务质量性能的比较；图6为不同信道状况下对应的功率分配；其中，图6(a)为发射机到合法用户、发射机到窃听者的信道变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于有效安全容量的最优功率分配方法，其特征在于，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，假设协作干扰机知道所有信道的信道状态信息；所有的信道均为瑞利块衰落信道；通过设计协作干扰机处的波束赋形矢量，对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法。

【技术特征摘要】
1.基于有效安全容量的最优功率分配方法，其特征在于，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，假设协作干扰机知道所有信道的信道状态信息；所有的信道均为瑞利块衰落信道；通过设计协作干扰机处的波束赋形矢量，对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法。2.根据权利要求1所述的基于有效安全容量的最优功率分配方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法如下：101)发射机以数据帧的形式发送数据，得到在第i帧时合法用户和窃听者接收到的信号；102)利用合法用户和窃听者接收到的信号，得到有效安全容量的表达式。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：吕刚明，安广平，任品毅，杜清河，李国兵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61