一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法技术

本发明专利技术提出一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法。由于在蜂窝用户和车辆D2D用户共享频谱资源时，两者会产生相互干扰，但是蜂窝用户又可以作为友好的干扰者提升车辆D2D通信的保密传输性能。基于该情况，本发明专利技术首先通过联合控制蜂窝用户和车辆D2D用户的发射功率，使蜂窝服务质量和车辆D2D通信保密性都得到了保障。接着基于匈牙利算法，得到了全局最优的频谱资源块匹配方案，从而提升了网联无人驾驶车辆通信系统的频谱效率。本发明专利技术通过功率控制最大程度降低同频干扰并提升网联无人驾驶车辆通信的安全性，能够适应高度动态的车辆通信环境。

【技术实现步骤摘要】
一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法。
技术介绍
由于网联无人驾驶车辆在改善交通安全及减少能源消耗方面具有较大潜力，网联无人驾驶技术的发展吸引了来自学术界和工业界的大量关注。在网联无人驾驶技术中，对位置，速度和加速度等数据的实时传输，与云端交互控制信息，以及多媒体信息娱乐服务等应用需要大量的数据传输。因此，相比于传统车辆，网联无人驾驶车辆对更高通信容量的需求更为迫切。此外，通信安全问题也是网联无人驾驶车辆网络中的一个关键问题。事实上，黑客可以通过无线网络攻击技术，比如抓包以及暴力破解等技术攻击网联无人驾驶的车辆，进而引发难以预料的灾难性后果。考虑到上述问题，在网联无人驾驶车辆中应用D2D技术，通过与蜂窝用户共享频谱资源，可以提升车辆通信系统的频谱效率。此外，应用物理层通信安全技术，将蜂窝用户作为友好的干扰者，可以有效阻止窃听者获取车载通信/传输信息。在车辆D2D通信中，车辆用户复用蜂窝频谱资源进行车辆间通信。车辆D2D用户与蜂窝用户通过底层复用的方式共享频谱资源。车辆D2D用户及蜂窝用户的发射功率可由基站协调以避免相互干扰。车辆D2D通信具有邻近增益大和资源利用率高等特点，因此具有较大潜力增强车辆间通信效率和可靠性。而在车辆通信的物理层安全方面，传统频谱资源共享带来车辆D2D通信和蜂窝通信的相互干扰经过功率控制，可以转化为保护车辆通信安全的优势。通过对蜂窝发射功率以及车辆D2D发射功率的控制，可以在保证蜂窝用户服务质量的前提下最大化车辆D2D通信数据速率。同时要保证车辆D2D通信的保密速率满足最低门限要求，也需要进行蜂窝和车辆D2D通信的发射功率控制。但是，现有的考虑D2D通信与物理层安全的工作多假设准静态蜂窝网络，且多以保护蜂窝用户通信安全为主。因此需要提出一种最新的网联无人驾驶车辆通信的解决方案，在高动态的网联无人驾驶车辆网络中进行功率控制机制及频谱资源块共享方案的优化来提升车辆通信的频谱效率和安全性。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，该方法能有效提升网联无人驾驶车辆通信系统的频谱效率，同时满足车辆间通信的保密速率要求，提高网联无人驾驶车辆通信的安全性。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提出一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，该方法应用于网联无人驾驶车辆网络，所述网联无人驾驶车辆网络中车辆D2D用户和蜂窝用户采用底层复用方式共享蜂窝上行链路频谱资源；该方法包括步骤：(1)在蜂窝用户上行链路服务质量所要求的可实现数据速率约束，以及车辆D2D通信安全通信所要求的保密速率的约束下，将优化目标设定为最大化车辆D2D通信总的可实现数据速率并构建优化问题模型：其中，pk为蜂窝用户k的发射功率，pm，k为车辆D2D用户对m复用蜂窝用户k的资源块时的发射功率，为蜂窝用户集，为车辆用户集，Rm，k表示车辆D2D用户对m在复用蜂窝用户k时的数据速率，Rk表示蜂窝用户可实现的上行数据速率，ρq表示蜂窝用户上行链路服务质量要求的数据速率，Rms表示车辆D2D用户对m的保密速率，ρs表示车辆D2D传输不发生安全中断所要求的最小保密速率，pkm为蜂窝用户的最大发射功率，pmm为车辆用户的最大发射功率；(2)在步骤(1)的约束条件下求解所述优化问题，得到全局最优的频谱资源块和功率联合分配方案。进一步的，所述蜂窝用户可实现的上行数据速率Rk的计算公式为：其中，hk，s为蜂窝用户k到小蜂窝基站之间通信链路的平均功率增益，λm，k为资源块分配参数，λm，k＝1表示车辆D2D用户对m复用蜂窝用户k的资源块，λm，k＝0表示车辆D2D用户对m不复用蜂窝用户k的资源块，gm，s为车辆D2D用户对m的发送者到小蜂窝基站之间干扰链路的平均功率增益，σ2为噪声功率。进一步的，所述车辆D2D用户对m的保密速率Rms的计算公式为：其中，[x]+＝max(0，x)，hm为车辆D2D用户对m通信链路的平均功率增益，zm，e为车辆D2D用户对m的发送者到窃听者的窃听链路的平均功率增益，gk，m为蜂窝用户k到车辆D2D用户对m的接收者之间干扰链路的平均功率增益，gm′，m为车辆D2D用户对m′的发送者到车辆D2D用户对m的接收者之间干扰链路的平均功率增益，gk，e为蜂窝用户k到窃听者干扰链路的平均功率增益，gm′，e为车辆D2D用户对m′发射者到窃听者干扰链路的平均功率增益；进一步的，求解所述优化问题模型的具体步骤包括：(41)首先约束蜂窝用户上行链路的服务质量得到满足，此时，求解蜂窝用户和车辆D2D用户发射功率满足的条件可得：蜂窝用户发射功率pk落在一个与车辆D2D用户发射功率无关的可行域，而车辆D2D用户对m发射功率pm，k的可行域随蜂窝用户发射功率的变化而变化，即有功率约束条件：其中，(42)然后约束车辆D2D用户通信要求的保密速率得到满足，此时，求解蜂窝用户和车辆D2D用户发射功率满足的条件可得：蜂窝用户发射功率pk满足一个与车辆D2D用户发射功率无关的约束，而车辆D2D用户发射功率pm，k的可行域随蜂窝用户发射功率的变化而变化，即有功率约束条件：其中，F(x)＝(αs+1)zm，egk，mx+(αs+1)zm，eσ2-hmgk，ex-hmσ2，G(x)＝-(αsgk，egk，mx2+αsσ2gk，mx+αsσ2gk，ex+αsσ4)，(43)小蜂窝基站根据步骤(41)和(42)得到的两个功率约束条件计算出车辆D2D用户对m复用任意蜂窝用户k的频谱资源时可实现的最大数据速率(44)小蜂窝基站根据对频谱资源块共享策略进行设计，具体步骤为：将所述优化问题抽象为一个加权二分图匹配问题，蜂窝用户集合和车辆用户集合划分为两个独立的顶点集，两个集合中的顶点可以任意连接，每次连接都产生一条边，每次连接的物理意义即蜂窝用户和车辆D2D用户共享频谱资源，而每条边都被赋予一个权值，该权值设置为此次资源复用中车辆D2D用户最大可实现的数据速率将所述优化问题模型转化为：s.t.λm，k∈{0，1}通过匈牙利算法在多项式时间内可得全局最优匹配此即为使得总的车辆D2D通信可实现数据速率达到最大的频谱资源块共享策略。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：本专利技术公开的一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，通过对蜂窝用户和车辆D2D用户发射功率的控制，一方面满足蜂窝用户上行链路服务质量要求，另一方面满足网联无人驾驶车辆之间的保密通信需求。蜂窝用户和车辆D2D用户频谱资源块共享策略的优化进一步提升了网联无人驾驶车辆通信系统的频谱效率。本专利技术所提方案适用于大规模部署的小蜂窝基站进行网联无人驾驶车辆通信场景中的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，其特征在于，该方法应用于网联无人驾驶车辆网络，所述网联无人驾驶车辆网络中车辆D2D用户和蜂窝用户采用底层复用方式共享蜂窝上行链路频谱资源；/n该方法包括步骤：/n(1)在蜂窝用户上行链路服务质量所要求的可实现数据速率约束，以及车辆D2D通信安全通信所要求的保密速率的约束下，将优化目标设定为最大化车辆D2D通信总的可实现数据速率并构建优化问题模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，其特征在于，该方法应用于网联无人驾驶车辆网络，所述网联无人驾驶车辆网络中车辆D2D用户和蜂窝用户采用底层复用方式共享蜂窝上行链路频谱资源；
该方法包括步骤：
(1)在蜂窝用户上行链路服务质量所要求的可实现数据速率约束，以及车辆D2D通信安全通信所要求的保密速率的约束下，将优化目标设定为最大化车辆D2D通信总的可实现数据速率并构建优化问题模型：












其中，pk为蜂窝用户k的发射功率，pm，k为车辆D2D用户对m复用蜂窝用户k的资源块时的发射功率，为蜂窝用户集，为车辆用户集，Rm，k表示车辆D2D用户对m在复用蜂窝用户k时的数据速率，Rk表示蜂窝用户可实现的上行数据速率，ρq表示蜂窝用户上行链路服务质量要求的数据速率，Rms表示车辆D2D用户对m的保密速率，ρs表示车辆D2D传输不发生安全中断所要求的最小保密速率，pkm为蜂窝用户的最大发射功率，pmm为车辆用户的最大发射功率；
(2)在步骤(1)的约束条件下求解所述优化问题，得到全局最优的频谱资源块和功率联合分配方案。


2.根据权利要求1所述的一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，其特征在于，所述蜂窝用户可实现的上行数据速率Rk的计算公式为：



其中，hk，s为蜂窝用户k到小蜂窝基站之间通信链路的平均功率增益，λm，k为资源块分配参数，λm，k＝1表示车辆D2D用户对m复用蜂窝用户k的资源块，λm，k＝0表示车辆D2D用户对m不复用蜂窝用户k的资源块，gm，s为车辆D2D用户对m的发送者到小蜂窝基站之间干扰链路的平均功率增益，σ2为噪声功率。


3.根据权利要求2所述的一种面向网联无人驾驶安全通信的D2D频谱高效共享方法，其特征在于，所述车辆D2D用户对m的保密速率Rms的计算公式为：



其中，[x]+＝max(0，x)，hm为车辆D2D用户对m通信链路的平均功率增益，zm，e为车辆D2D用户对m的发送者到窃听者的窃听链路的平均功率增益，gk，m为蜂窝用户k到车辆D2D用户对m的接收者之间干扰链路的平...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海波，彭学森，钱博，余凯，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32