CN104853362B - 一种针对异构网络的安全发送波束成形方法 - Google Patents

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Abstract

在一种针对异构网络的安全发送波束成形方法中，我们假设异构网络(Heterogeneous Networks，HetNet)中存在一个窃听者窃听某一个宏用户。我们提出两种频谱共享机制：正交频谱共享(Orthogonal Spectrum Sharing，OSS)和面向安全的非正交频谱共享(Secrecy‑oriented Non‑orthogonal Spectrum Sharing，SONOSS)。在OSS机制中，由于各个基站之间频谱相互正交，所以它们之间不存在干扰。每个小区都相当于一个广播信道。基于此，我们提出只在宏基站处的波束成形(Secrecy Transmit Beamforming only Operating in the Macrocell，STB‑OM)的方法，用来最大化安全速率。为了利用HetNet网络中的干扰来提高安全性能，我们提出SONOSS的频谱共享机制；在SONOSS机制下，宏基站和若干微基站共享频谱，因此，它们之间存在同频干扰问题。我们提出宏基站和微基站顺序地进行波束成形方法(STB Sequentially Operating in the Macrocell and Femtocells,STB‑SMF)和宏基站和微基站联合进行波束成形方法(STB Jointly Designed in the Macrocell and Femtocells,STB‑JMF)，用来最大化安全速率。

Description

一种针对异构网络的安全发送波束成形方法
技术领域
本发明涉及在异构网络(Heterogeneous Networks，HetNet)中，考虑物理层安全的前提下的安全波束成形，确切地说，在两种频谱分配策略前提下，通过波束成形来保证宏基站发送信息的安全，属于无线通信技术领域。
背景技术
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，HetNet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。HetNet包括具有不同发射功率的不同类型的基站。其中，宏基站(Macrocell base stations，MBS)能够提供公共接口，并且能够覆盖数公里范围内的全部宏用户(Macrocell User，MU)。微小区基站，比如微基站(Femtocell base stations，FBS)，存在于宏小区并安装在建筑物等室内环境中，靠近微用户(Femtocell User,FU)。HetNet的网络结构相对于传统的单层蜂窝网络更加开放，多样性更加复杂，这就使得信息交换更加容易被窃听者获取。近年来，物理层安全提供了多种保证无线通信安全的可行性技术，因此，它可以应用于HetNet网络。
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都集中在传统的网络，对于HetNet网络中的物理层安全还为曾涉足。
由于网络结构的复杂性，导致HetNet中不可避免地存在各种干扰。从物理层安全的角度讲，引入干扰可以提高安全性能。基于此，HetNet中的这些干扰通过合适的频谱规划和协作波束成形可以用来提高网络中的安全速率
发明内容
有鉴于此，本发明考虑两种频谱共享策略，并提出三种波束成形方法。我们考虑两层的下行HetNet网络，包括一个宏基站，多个微基站，宏基站和微基站服务相应的宏用户及微用户。其中某一个宏用户企图窃听另一个宏用户的信息。
(1)正交频谱共享(Orthogonal Spectrum Sharing，OSS)
宏基站和相邻的微基站分配正交的频率资源，从而消除了跨层干扰及相邻微小区之间的干扰。通过OSS，场景可以简化为广播信道下的安全通信问题。
(11)只在宏基站处的波束成形(Secrecy Transmit Beamforming onlyOperating in the Macrocell，STB-OM)：在STB-OM中，我们的目标是在满足其他宏用户QoS的条件下，最大化被窃听宏用户的安全速率。
(12)在STB-OM中，为了解决相应的优化问题，我们利用一阶泰勒近似，将非凸的原问题转变成了二阶锥问题(Second-order Cone Program，SOCP)，并通过迭代得到局部最优解。我们提出的STB-OM跟传统的广播信道中的STB设计并不相同，因为在STB-OM中，我们假设有多个宏用户，只有一个被窃听，因此，在发送保密信息的同时，还需要发送到其他未被窃听用户的信息。
(2)面向安全的非正交频谱共享(Secrecy-oriented Non-orthogonal SpectrumSharing，SONOSS)
由于有用干扰可以用来提高安全速率，我们可以在HetNet中有意地引入干扰，因此，我们提出了面向安全的非正交频谱共享(SONOSS)策略。在SONOSS中，我们令窃听者附近的微基站分配与宏基站相同的频谱，这些微基站通过与宏基站协作来提高安全性能，我们提出两种安全发送波束成形(STB)设计。
(21)宏基站和微基站顺序地进行波束成形(STB Sequentially Operating inthe Macrocell and Femtocells，STB-SMF):在STB-SMF中，每一个协作的微基站无私的进行波束成形设计来最大化对窃听者的干扰，它同时服务自己的微用户，但不保证其服务质量(Quality of Service，QoS)。微基站在计算出其对窃听者的干扰后，将其反馈给宏基站，宏基站据此利用STB-OM计算其发送波束成形。
(22)在STB-SMF中，原优化问题可以等效为SOCP。值得注意的是，在STB-SMF中，每一个协作的微用户利用局部CSI进行STB设计，并且只反馈给宏基站一个标量(对窃听者的最大干扰)，因此相对于STB-OM，STB-SMF只引入了很少的开销。
(23)宏基站和微基站联合进行波束成形(STB Jointly Designed in theMacrocell and Femtocells，STB-JMF)：在STB-JMF中，每个协作的微基站反馈其信道状态信息(CSI)到宏基站，宏基站进行联合波束成形设计。我们设计的目的是在保证宏用户和微用户QoS的条件下，最大化被窃听宏用户的安全速率。
(24)STB-JMF在被窃听宏用户和其他未被窃听的宏用户和微用户的QoS之间保证了更好地平衡。这个复杂的原问题是非凸的，我们将其分解为容易解决的两个阶段问题。我们首先固定窃听者处的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)，得到内部优化，外部优化为一维搜索。其中内部优化可以通过使用半定松弛(Semi-DefiniteRelaxation，SDR)转化为半定规划(Semi-Definite Programming，SDP)问题。
附图说明
图1是STB-OM的系统模型。
图2是STB-SMF的系统模型。
图3是STB-JMF的系统模型。
图4是在三种STB模式中，被窃听用户的安全速率与宏基站发送功率关系的仿真图。
图5是在STB-SMF和STB-JMF下，被窃听用户的安全速率与微基站发送功率关系的仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
(1)参见图1，在STB-OM的系统模型中，包括一个宏基站，两个宏用户和一个窃听者，窃听者窃听其中一个宏用户；该模型等效于广播信道模型；其中的实线表示有用数据流，虚线表示干扰流。
我们设计的目标是在保证为被窃听用户QoS，也就是SINR的前提下，最大化被窃听用户的安全速率。原优化问题非凸，要想找到其最优解是非常困难的，因此，我们利用一种低复杂度的迭代算法，通过解决多个SOCP问题得到原始问题的局部最优解。实际上，通过合理地选择迭代起始点，得到的局部最优解即为全局最优解。
(2)参见图2，在STB-SMF的系统模型中，包括一个宏基站，两个宏用户，两个微基站，每个微基站服务一个微用户，一个窃听者企图窃听某一个宏用户；该模型等效于干扰网络模型；其中黑色实线表示有用数据流，黑色虚线表示干扰流，灰色线表示在STB-SMF中没有考虑的数据流和干扰流，蓝色点线表示微基站反馈给宏基站的数据。
在STB-SMF中，我们将窃听者附近的微基站分配与宏基站相同的频谱，并且强迫这些微基站作为干扰源来干扰窃听者。也就是说，微基站最大化对窃听者的干扰，同时服务自己的微用户，但不保证其QoS。微基站在计算出其对窃听者的干扰后，将其反馈给宏基站，宏基站据此利用STB-OM计算其发送波束成形。
(3)参见图3，在STB-JMF的系统模型中，包括一个宏基站，两个宏用户，两个微基站，每个微基站中包括一个微用户，一个窃听者企图窃听某一个宏用户；该模型等效于干扰网络模型；实线表示有用数据流，虚线表示干扰流，蓝绿色点线表示微基站到宏基站的SCI流，红色虚线表示宏基站到微基站的STB。
STB-JMF在被窃听宏用户和其他未被窃听的宏用户和微用户的QoS之间保证了更好地平衡。这个复杂的原问题是非凸的，我们将其分解为容易解决的两个阶段问题。我们首先固定窃听者处的信干噪比(SINR)，得到内部优化，外部优化为一维搜索。其中内部优化可以通过使用半定松弛(SDR)转化为半定规划(SDP)问题。
为了展示本发明中各种机制的实用性能，申请人进行了多次仿真试验。仿真试验的结果如图4和图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (1)

1.针对异构网络(Heterogeneous Networks，HetNet)中的基于物理层安全的波束成形方法，我们提出两种频谱共享机制：正交频谱共享(Orthogonal Spectrum Sharing，OSS)和面向安全的非正交频谱共享(Secrecy-oriented Non-orthogonal Spectrum Sharing，SONOSS)，
(1)正交频谱共享(OSS)
宏基站和相邻的微基站分配正交的频率资源，从而消除了跨层干扰及相邻微小区之间的干扰；
(11)只在宏基站处的波束成形方法(Secrecy Transmit Beamforming onlyOperating in the Macrocell，STB-OM)，在STB-OM中，我们的目标是在满足其他宏用户QoS的条件下，最大化被窃听宏用户的安全速率；
(2)面向安全的非正交频谱共享(SONOSS)
由于有用干扰可以用来提高安全速率，我们可以在HetNet中有意地引入干扰，因此，我们提出了面向安全的非正交频谱共享(SONOSS)策略，在SONOSS中，对窃听者附近的微基站分配与宏基站相同的频谱，这些微基站通过与宏基站协作来提高安全性能，我们提出两种安全发送波束成形(STB)设计；
(21)宏基站和微基站顺序地进行波束成形方法(STB Sequentially Operating inthe Macrocell and Femtocells，STB-SMF):在STB-SMF中，每一个协作的微基站无私的进行波束成形来最大化对窃听者的干扰，它同时服务自己的微用户，但不保证其QoS；微基站在计算出其对窃听者的干扰后，将其反馈给宏基站，宏基站据此利用STB-OM计算其发送波束成形；
(22)宏基站和微基站联合进行波束成形方法(STB Jointly Designed in theMacrocell and Femtocells，STB-JMF)：在该方法中，每个协作的微基站反馈其信道状态信息(Channel State Information，CSI)到宏基站，宏基站进行联合波束成形，我们设计的目的是在保证宏用户和微用户QoS的条件下，最大化被窃听宏用户的安全速率。
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