一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法技术

本发明专利技术涉及网络传输领域，尤其涉及一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，包括第一步：系统模型建立，第二步：模拟波束设计，第三步：保密速率传输问题；通过各个步骤的设计，达到最大化信息传输的保密率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法
本专利技术涉及网络传输领域，尤其涉及一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法。
技术介绍
随着移动互联网业务的快速上升，各种移动应用对数据速率要求越来越高，云无线接入网(Cloudradioaccessnetwork,C-RAN)技术被提出作为一种有效的解决方案。在C-RAN中，中央处理器(Centralprocessor,CP)利用全局信道状态信息(Channelstateinformation,CSI)进行资源优化配置，提高了系统的频谱效率(Spectralefficiency,SE)。另外，随着超密集基站部署，通过多点协作(Coordinatedmultiple-point,CoMP)技术，即利用相邻基站形成基站集群并联合为用户提供服务，可以有效解决基站间的干扰。在C-RAN中，CP通过前向链路向基站发送数据，同时多个基站协作，共同向用户提供服务。此时，需要考虑两个基本问题：前向/接入链接选择和数据共享方案。考虑不同频率载波和前向/接入链路的特点，我们分别采用低频微波和高频毫米波作为前向链路和接入链路的载波。另外，对于CP和基站集群之间的数据共享，当多个基站协作服务一个用户时，CP必须将该用户要求的信息发送到所有协作基站，这种点对多点的前向传输可以通过组播技术实现。因此，本专利技术将结合前向微波组播传输技术，建立一个基于基站协作的毫米波C-RAN系统。由于无线通信的广播特性，窃听者(Eavesdropper,Eve)可能会窃听用户信息，因此物理层安全性(Physicallayersecurity,PLS)被提出以增强无线通信的安全性，它的核心思想是利用无线信道的随机性，通过设计波束来防止非法用户窃听信息。虽然目前PLS已经存在多种设计方案，但仍存在一些其他挑战，如混合模拟/数字波束赋形(Beamforming,BF)设计，人工噪声，组播BF设计等。为了解决上述挑战，本专利技术研究了基于微波组播前传的安全毫米波C-RAN安全BF设计问题，目标是专利技术一种联合波束设计方案最大化信息传输的保密速率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，而设计了一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法。本专利技术的目的是通过如下措施来实现的：一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，包括如下步骤：第一步：系统模型建立在微波组播前向链路中，将从CP到第l个基站的前向链路信道向量记为从CP向基站集群发送的组播BF向量记为x0是E{|x0|2}＝1的组播信号，第l个基站接收到的信号如(1)所示，nl是满足CN(0,N0)的独立同分布的加性高斯白噪声(AdditivewhiteGaussiannoise,AWGN)，将下行链路微波带宽记为Wmc，则第l个基站可获得的前向速率为：由于前向组播速率受到最坏信道条件下的基站的限制，因此CP提供的前向速率为：其中L＝{1,...,L}表示基站集合；在毫米波接入链路中，第k个用户的接收信号为：其中表示从L个基站到第k个用户信道向量，表示从第l个基站到第k个用户信道向量，表示基站集群发送的人工噪声向量，假设q∈CN(0,Λ)，Λ表示需优化的人工噪声协方差矩阵，和xi分别表示数字BF向量和第k个用户所需的信号，nk是满足独立同分布的AWGN，是模拟BF，具体形式如(5)所示，其中表示由第l个基站设计的模拟BF向量，并且fl的所有元素都具有相同的振幅但相位不同，即M＝{1,...M}是每个基站的天线集合，fl(m)表示fl的第m个元素；第k个用户的可达速率为：Wmm表示毫米波带宽；在本文中，采用具有C个散射簇的毫米波信道模型，其中每个散射簇都包括一条传播路径，因此，毫米波信道可以表示为：其中表示第c条路径的复数增益，是第c条路径的到达方位角，表示天线阵列转向矢量，具体形式如(11)所示，d和λ分别表示天线间距离和信号波长；此外，Eve的信道模型表达式与(10)类似。第二步：模拟波束设计在实际中只能实现量化的相位，因此我们假定使用一个B-bit的量化移相器，并且F的非零元素应属于根据(5)，必须分别为L个基站设计模拟BF，对于第k个用户，因此可以通过从(12)中适当选择最佳量化相位再次最大化数组例如，第l个基站的模拟BF向量fl的第m个角度如(13)所示，其中∠(.)表示角度：于是，可以得到fl(m)如(14)所示：为了保证用户的公平性，为L个基站设计的BF不仅应最大化单个用户的阵列增益，而且还应为每个用户分配至少一个基站以最大化其阵列增益；第三步：保密速率传输问题首先，在总基站发射功率以及CP发射功率的约束下制定一个保密率最大化问题(Secrecyratemaximization,SRM)，然后采用凸近似技术和半定规划(Semi-definiteprogramming,SDP)松弛对问题进行转化，并采用迭代算法进行联合优化，利用SDP松弛问题的原始和对偶最优解，构造原始问题的解决方案。优选的，第一步系统模型建立中，Eve试图窃听第k个用户的信息，第z个Eve收到的信号为：其中示从第L个基站到第z个Eve的信道向量，代表从第l个基站到第z个Eve的信道向量；第z个Eve窃听第k个用户的窃听容量为：最后，第k个用户可以达到的保密率为：其中表示Eve集合。优选的，第三步保密速率传输问题中，所涉及的迭代SRM算法，具体步骤如下：步骤一：总基站发射功率约束下的问题规划设计模拟BF后，可以得到第k个用户的等效信道第z个Eve的等效信道为假设组播前向传输时间帧包括K个时隙，并且每个时隙用于将单个用户的消息从CP传输到L个协作基站，假设帧长和第k个时隙长度分别为1和tk，然后根据特定约束，第k个用户的可实现容量必须小于CP为第k个用户提供的前传容量，因此可得到(15)，表示用户集：根据(15)，可以得到约束(16)：最后，提出了最大化保密率的联合BF和人工噪声方差设计问题；其中(17b)表示前传容量约束，(17c)是L个协作基站的总发射功率约束，(17d)表示CP发射功率约束，但是，由于目标函数(17a)和约束(17b)的非凸性，直接求解(17)十分困难；步骤二：问题(17)的转化与解决首先，将目标函数(17a)转换为形式(18)：其中，{βk}和是引入的辅助变量，其形式如(19)所示：然后定义BF矩阵和将问题(17)重新表述为问题(20)，其中||Fvk||2＝Tr(FHFVk)＝Tr(Vk)；...

【技术保护点】
1.一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，其特征在于：包括如下步骤：/n第一步：系统模型建立/n在微波组播前向链路中，将从CP到第l个基站的前向链路信道向量记为

【技术特征摘要】
1.一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：系统模型建立
在微波组播前向链路中，将从CP到第l个基站的前向链路信道向量记为从CP向基站集群发送的组播BF向量记为x0是E{|x0|2}＝1的组播信号，第l个基站接收到的信号如(1)所示，nl是满足CN(0,N0)的独立同分布的加性高斯白噪声，



将下行链路微波带宽记为Wmc，则第l个基站可获得的前向速率为：



由于前向组播速率受到最坏信道条件下的基站的限制，因此CP提供的前向速率为：



其中L＝{1,...,L}表示基站集合；
在毫米波接入链路中，第k个用户的接收信号为：



其中表示从L个基站到第k个用户信道向量，表示从第l个基站到第k个用户信道向量，表示基站集群发送的人工噪声向量，假设q∈CN(0,Λ)，Λ表示需优化的人工噪声协方差矩阵，和xi分别表示数字BF向量和第k个用户所需的信号，nk是满足独立同分布的AWGN，是模拟BF，具体形式如(5)所示，其中表示由第l个基站设计的模拟BF向量，并且fl的所有元素都具有相同的振幅但相位不同，即M＝{1,...M}是每个基站的天线集合，fl(m)表示fl的第m个元素；



第k个用户的可达速率为：



Wmm表示毫米波带宽；
采用具有C个散射簇的毫米波信道模型，其中每个散射簇都包括一条传播路径，因此，毫米波信道可以表示为：



其中表示第c条路径的复数增益，是第c条路径的到达方位角，表示天线阵列转向矢量，具体形式如(11)所示，d和λ分别表示天线间距离和信号波长；



第二步：模拟波束设计
在实际中只能实现量化的相位，因此假定使用一个B-bit的量化移相器，并且F的非零元素应属于



根据(5)，必须分别为L个基站设计模拟BF，对于第k个用户，因此可以通过从(12)中适当选择最佳量化相位再次最大化数组第l个基站的模拟BF向量fl的第m个角度如(13)所示，其中∠(.)表示角度：



于是，我们可以得到fl(m)如(14)所示：



第三步：保密速率传输问题
首先，在总基站发射功率以及CP发射功率的约束下制定一个保密率最大化问题，然后采用凸近似技术和半定规划松弛对问题进行转化，并采用迭代算法进行联合优化，利用SDP松弛问题的原始和对偶最优解，构造原始问题的解决方案。


2.根据权利要求1所述的一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，其特征在于：第一步系统模型建立中，Eve试图窃听第k个用户的信息，第z个Eve收到的信号为：



其中示从第L个基站到第z个Eve的信道向量，代表从第l个基站到第z个Eve的信道向量；
第z个Eve窃听第k个用户的窃听容量为：



最后，第k个用户可以达到的保密率为：



其中表示Eve集合。


3.根据权利要求2所述的一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法，其特征在于：第三步保密速率传输问题中，所涉及的迭代SRM算法，具体步骤如下：
步骤一：总基站发射功率约束下的问题规划
设计模拟BF后，可以得到第k个用户的等效信道第z个Eve的等效信道为假设组播前向传输时间帧包括K个时隙，并且每个时隙用于将单个用户的消息从CP传输到L个协作基站，假设帧长和第k个时隙长度分别为1和tk，然后根据特定约束，第k个用户的可实现容量必须小于CP为第k个用户提供的前传容量，因此可得到(15)，表示用户集：



根据(15)，可以得到约束(16)：



最后，提出了最大化保密率的联合BF和人工噪声方差设计问题；












其中(17b)表示前传容量约束，(17c)是L个协作基站的总发射功率约束，(17d)表示CP发射功率约束；
步骤二：问题(17)的转化与解决
首...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝万明，赵少柯，孙钢灿，赵飞，
申请(专利权)人：郑州大学，郑州大学产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41