CN104994507A - 一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，为D2D用户分配合适的下行用户资源，并控制下行用户以及D2D用户的发送功率，在保证下行用户通信质量与信息安全不降低的同时，最大化D2D用户的本地频带效率；本发明方法更加全面地考虑了基站对D2D用户的干扰、D2D用户下行用户链路的干扰以及D2D用户可能窃听下行用户信息的安全威胁，充分利用所有D2D用户、下行用户的位置分集特点，联合优化对D2D用户的频段分配及它们与下行用户的发送功率；采用本发明方法中计算出频段分配、功率控制结果可最大程度的提升系统本地频带利用效率，且保证所有上行用户的通信信息的安全性与有效性不会受到D2D用户复用的威胁。

Description

一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，属于物理层安全资源分配、功率控制设计技术。

背景技术

移动手持终端经过近十年的迅速发展已经产生了革命性的变化，特别是智能手机的计算处理速度和存储容量指数级提高为移动业务从传统的语音、短信向多元化、智能化数据业务飞跃提供了坚实基础。另一方面，无线覆盖网络正向着数据通信速率更快、网络结构更加复杂多样、网络调度控制更加智能化的方向持续演进。现阶段的无线通信技术已不单单是满足人们基本的通信需求，而是不断向社会各个领域不断渗透，加速各行业发展向着无线互联网的方向前进。由此变革引申出的构建人与人，人与物，物与物互联互通的技术理念已经深入人类社会的各个阶层，并被广大公众接受。典型的发展变革包括移动运营商开始着手布局物联网(M2M，machine-to-machine)，移动支付等产业。运营商看准时代发展的重要机遇，提供多样化，多层次的，贴近公众生活的移动互联业务，从而更好的服务社会获取更大的市场效益。运营商对D2D通信技术的支持不仅仅技术革新以及移动业务的发展趋势更重要的是可以通过提供该项业务提高企业的营收，而在努力达到上述经济效益目的的同时，运营商还必须重视一个非常核心的问题，即在信息化社会必须保护用户的个人信息安全。只有在充分安全通信的基础之上，才能保证用户最大可能地选择各种不同的业务模式，确保用户的忠诚度与信任度。

近年来，研究人员对无线通信物理层安全的研究越来越广泛。传统的信息安全技术主要集中在网络层，通过密钥对目的用户数据进行加密，从而保证了信息的安全性。但是从无线通信物理层角度去看，信号具有广播特性，只要存在于网络中任何窃听者理论上都可以接收到其他用户的信号。只要窃听者可以接收到物理信号，尽管对信息进行了加密处理但是仍然可以通过复杂的解密算法窃取到用户的有用数据。从物理层角度降低窃听者接收物理信号的可能，从根本上消除窃听者窃取信息的威胁是对信息安全技术提出的更高要求。

D2D通信的物理层安全问题则是关于如何为D2D用户分配合理的物理资源来保证整体系统的信息安全。具体来说，我们知道运营商接受D2D通信技术的内在动力是该技术拥有多种技术优势和广阔市场前景。但是，移动网络用户和D2D用户之间的资源共享却给某些恶意的D2D用户提供了窃听同频信道上移动网络用户信息的机会，因而导致了严重的安全问题。该问题就给设计安全的D2D通信提出了新的挑战。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明以基站作为核心控制单元为基础，提供了一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，该方法充分利用了网络中D2D通信与移动用户的位置信息来统筹规划D2D通信如何合理的复用相应的频段资源，使得D2D通信的本地频带效率最大化，同时必须保证了所有移动用户的传输质量，信息安全不会因为频段被复用带来的干扰而降低。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明研究联合安全资源分配与功率控制问题，在最大化所有D2D用户的效益函数的同时为每一个下行用户提供最低的安全通信速率来满足用户安全通信的需求。为了达到该设计目标，本发明应该合理地将下行用户的资源分配给D2D用户并共同调节它们的发送功率。在本发明的系统模型中，移动网络必须保证下行用户的信息安全和通信质量。具体而言，本发明考虑了在同一小区内多个D2D用户复用多个下行用户资源。在该场景内，基站会向所有下行用户广播他们的私密信息，当然该私密信息也会以相近的信号强度到达某些D2D用户的接收端。这就为D2D接收端提供了窃听下行用户私有信息的机会。在极端情况下，如果D2D用户十分接近基站，它将获得信号强度较大的下行用户信息，这就意味着从物理层安全角度来看，下行用户的安全信息速率将为零。

一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，为D2D用户分配合适的下行用户资源，并控制下行用户以及D2D用户的发送功率，在保证下行用户通信质量与信息安全不降低的同时，最大化D2D用户的本地频带效率；该方法包括如下步骤：

(1)在一个单小区网络中，共存在N个下行用户和D对D2D用户，每对D2D用户包括一个D2D发射机和一个D2D接收机；每个下行用户占用系统总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，所有下行用户均与基站保持稳定的安全通信链路，规定第n个下行用户的最大发送功率为规定第n个下行用户的安全通信速率始终保持为R_n；为了提升频带利用率并有利于运营商针对每对D2D用户占用资源的情况合理收费，规定：第d对D2D用户的最大发送功率总和为每对D2D用户可以复用任意多个下行用户，但是每个下行用户只能被一对D2D用户复用；将第d对D2D用户是否占用第n个下行用户频段的指标变量表示为x_d,n：若x_d,n＝1则表示第n个下行用户频段被第d对D2D用户占用，若x_d,n＝0则表示第n个下行用户频段没有被第d对D2D用户占用；

(2)在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息以实现最优安全资源分配：基站可以利用信道互易性，通过估计所有下行用户到基站的上行信道系数以及所有D2D用户接收机到基站的上行信道系数的方式，间接地获得如下信息：①基站至第n个下行用户的下行信道系数g_n，②第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，基站至该D2D用户接收机的干扰信道系数③第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户接收机与该D2D用户发射机之间在整个系统频段上的信道系数g_d,n；同时，所有下行用户也可以利用信道互易性，通过信道估计的方式获得如下信息：④第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户发射机到该下行用户的干扰信道系数上述四类信息分别通过D2D用户与基站之间的控制信道和下行用户反馈给基站；

(3)基站根据步骤(2)所获得的四类信息，按照最大化所有D2D用户的本地频带效率的同时保持第n个下行用户的安全通行速率为R_n的准则，在所有D2D用户之间合理分配下行用户资源，优化第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率为p_d,n，优化第n个下行用户的发送功率为p_n；

(4)根据步骤(3)中的准则，根据设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法进行如下优化计算：①优化指标变量x_d,n，得出最优指标变量②优化第d个D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率p_d,n，得出最优发送功率③优化第n个下行用户的发送功率p_n，得出最优发送功率基站通过控制信道将最优指标变量和最优发送功率传递给第d对D2D用户，同时基站将向第n个下行用户的发送功率提升至以对抗来自于D2D用户的干扰以维持安全通行速率为R_n；

(5)根据步骤(4)的结果，第d对D2D用户以最优发送功率发送本地信息，而基站则按照最优发送功率与第n个下行用户保持安全通信。

所述步骤(4)中，设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法具体为：记表示可以安全地被第d对D2D用户复用的下行用户集合，表示可以安全复用第n个下行用户的D2D用户集合，表示集合中元素的个数，表示集合中元素的个数；该方法是采用迭代的方式从三种具有代表性的功率值中分别选取一个值，以使得目标函数最大的，这三种功率值分别为：①第d对D2D用户在集合中平均功率，即②p_d,n的可行域边界，即③第d对D2D用户取得本地频带效率最大值时的极值点，即 $A_{d,n}=((g_n-\sqrt{\frac{g_n({\mathrm{\α}}_n-1)(g_n-g_{n,d}^I)}{{\mathrm{\α}}_n}})\frac{1}{g_{n,d}^I}-1)\frac{1}{g_{d,n}^I},$ 具体包括如下步骤：

步骤一：初始化，为每一对D2D用户在集合上实施简单的功率控制，即：

步骤二：循环从n＝1开始执行下列步骤直至n＝N：

若则同时令 $x_{\stackrel{\‾}{d},n}^{*}=1,x_{d,n}^{*}=0,d\≠\stackrel{\‾}{d},1\≤d\≤D;$

若则 $x_{d,n}^{*}=\mathrm{0,1}\≤d\≤D;$

其中：

$\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\Γ}}}_{d,n}\left(p_{d,n}\right)={\log }_2(1+\frac{g_{d,n}{p}_{d,n}(g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}))}{g_n-g_{n,d}^I(1+g_{n,d}^I{p}_{d,n})})-\\ \frac{g_{d,n}{\mathrm{\α}}_n{[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_{d,n}{g}_n{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)(g_n-g_{n,d}^I)}{\ln 2(1+{\mathrm{\α}}_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}){[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}\end{array}$

步骤三：根据以上步骤输出的最优指标变量和最优发送功率计算最优发送功率

$p_n^{*}=\frac{({\mathrm{\α}}_n-1)(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}{g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}$

结束。

有益效果：本发明提供的关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明方法更加全面地考虑了基站对D2D用户的干扰、D2D用户下行用户链路的干扰以及D2D用户可能窃听下行用户信息的安全威胁，充分利用所有D2D用户、下行用户的位置分集特点，联合优化对D2D用户的频段分配以及它们与下行用户的发送功率；2、采用本发明方法中计算出频段分配、功率控制结果可以最大程度的提升系统本地频带利用效率，同时保证所有上行用户的通信信息的安全性与有效性不会受到D2D用户复用的威胁。

附图说明

图1为本发明提出的关于设备间通信的安全资源分配与功率控制技术的系统框图；

图2为本发明提出的D2D通信复用下行用户频段资源及最优功率控制算法性能比较曲线，其中包含本发明算法的性能上界，本发明算法的性能和随机频段分配联合本发明功率控制算法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，为D2D用户分配合适的下行用户资源，并控制下行用户以及D2D用户的发送功率，在保证下行用户通信质量与信息安全不降低的同时，最大化D2D用户的本地频带效率；首先，时分双工移动通信系统中的基站可以利用信道互易性，通过估计所有下行用户、D2D用户接收机到基站的上行信道系数间接地获得基站至所有下行用户下行信道信息和到D2D用户接收机的干扰信道信息；同样通过信道估计技术，D2D用户接收机可以获得与发射机之间在整个系统频段上的信道信息，同时所有下行用户可以通过信道估计获得D2D用户发射机到下行用户的干扰信道系数，上述两类信道信息将通过下行用户和D2D用户与基站之间的控制信道反馈给基站；接着，基站根据获得的所有四类信道信息为所有D2D用户分配合理的频段资源供其复用，并优化所有D2D用户、所有下行用户在已分配频段上的发送功率，达到最大化所有D2D用户对的本地频带效率同时保证每个上行用户的安全通信速率(抑或称为安全服务质量QoS(quality of service))不低于R_n的目的；最后，基站将资源分配、功率控制结果通知给相应的D2D用户对和上行用户。该方法包括如下步骤：

(1)在一个单小区网络中，共存在N个下行用户和D对D2D用户，每对D2D用户包括一个D2D发射机和一个D2D接收机；每个下行用户占用系统总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，所有下行用户均与基站保持稳定的安全通信链路，规定第n个下行用户的最大发送功率为规定第n个下行用户的安全通信速率始终保持为R_n；为了提升频带利用率并有利于运营商针对每对D2D用户占用资源的情况合理收费，规定：第d对D2D用户的最大发送功率总和为每对D2D用户可以复用任意多个下行用户，但是每个下行用户只能被一对D2D用户复用；将第d对D2D用户是否占用第n个下行用户频段的指标变量表示为x_d,n：若x_d,n＝1则表示第n个下行用户频段被第d对D2D用户占用，若x_d,n＝0则表示第n个下行用户频段没有被第d对D2D用户占用；

(2)在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息以实现最优安全资源分配：基站可以利用信道互易性，通过估计所有下行用户到基站的上行信道系数以及所有D2D用户接收机到基站的上行信道系数的方式，间接地获得如下信息：①基站至第n个下行用户的下行信道系数g_n，②第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，基站至该D2D用户接收机的干扰信道系数③第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户接收机与该D2D用户发射机之间在整个系统频段上的信道系数g_d,n；同时，所有下行用户也可以利用信道互易性，通过信道估计的方式获得如下信息：④第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户发射机到该下行用户的干扰信道系数上述四类信息分别通过D2D用户与基站之间的控制信道和下行用户反馈给基站；

(3)基站根据步骤(2)所获得的四类信息，按照最大化所有D2D用户的本地频带效率的同时保持第n个下行用户的安全通行速率为R_n的准则，在所有D2D用户之间合理分配下行用户资源，优化第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率为p_d,n，优化第n个下行用户的发送功率为p_n；

(4)根据步骤(3)中的准则，根据设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法进行如下优化计算：①优化指标变量x_d,n，得出最优指标变量②优化第d个D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率p_d,n，得出最优发送功率③优化第n个下行用户的发送功率p_n，得出最优发送功率基站通过控制信道将最优指标变量和最优发送功率传递给第d对D2D用户，同时基站将向第n个下行用户的发送功率提升至以对抗来自于D2D用户的干扰以维持安全通行速率为R_n；

(5)根据步骤(4)的结果，第d对D2D用户以最优发送功率发送本地信息，而基站则按照最优发送功率与第n个下行用户保持安全通信。

所述步骤(4)中，设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法具体为：记示可以安全地被第d对D2D用户复用的下行用户集合，表示可以安全复用第n个下行用户的D2D用户集合，表示集合中元素的个数，表示集合中元素的个数；该方法是采用迭代的方式从三种具有代表性的功率值中分别选取一个值，以使得目标函数最大的，这三种功率值分别为：①第d对D2D用户在集合中平均功率，即②p_d,n的可行域边界，即③第d对D2D用户取得本地频带效率最大值时的极值点，即 $A_{d,n}=((g_n-\sqrt{\frac{g_n({\mathrm{\α}}_n-1)(g_n-g_{n,d}^I)}{{\mathrm{\α}}_n}})\frac{1}{g_{n,d}^I}-1)\frac{1}{g_{d,n}^I},$ 具体包括如下步骤：

步骤一：初始化，为每一对D2D用户在集合上实施简单的功率控制，即：

步骤二：循环从n＝1开始执行下列步骤直至n＝N：

若则同时令 $x_{\stackrel{\‾}{d},n}^{*}=1,x_{d,n}^{*}=0,d\≠\stackrel{\‾}{d},1\≤d\≤D;$

若则 $x_{d,n}^{*}=\mathrm{0,1}\≤d\≤D;$

其中：

$\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\Γ}}}_{d,n}\left(p_{d,n}\right)={\log }_2(1+\frac{g_{d,n}{p}_{d,n}(g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}))}{g_n-g_{n,d}^I(1+g_{n,d}^I{p}_{d,n})})-\\ \frac{g_{d,n}{\mathrm{\α}}_n{[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_{d,n}{g}_n{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)(g_n-g_{n,d}^I)}{\ln 2(1+{\mathrm{\α}}_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}){[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}\end{array}$

步骤三：根据以上步骤输出的最优指标变量和最优发送功率计算最优发送功率

$p_n^{*}=\frac{({\mathrm{\α}}_n-1)(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}{g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}$

结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，其特征在于：为D2D用户分配合适的下行用户资源，并控制下行用户以及D2D用户的发送功率，在保证下行用户通信质量与信息安全不降低的同时，最大化D2D用户的本地频带效率；该方法包括如下步骤：

(1)在一个单小区网络中，共存在N个下行用户和D对D2D用户，每对D2D用户包括一个D2D发射机和一个D2D接收机；每个下行用户占用系统总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，所有下行用户均与基站保持稳定的安全通信链路，规定第n个下行用户的最大发送功率为规定第n个下行用户的安全通信速率始终保持为R_n；为了提升频带利用率并有利于运营商针对每对D2D用户占用资源的情况合理收费，规定：第d对D2D用户的最大发送功率总和为每对D2D用户可以复用任意多个下行用户，但是每个下行用户只能被一对D2D用户复用；将第d对D2D用户是否占用第n个下行用户频段的指标变量表示为x_d,n：若x_d,n＝1则表示第n个下行用户频段被第d对D2D用户占用，若x_d,n＝0则表示第n个下行用户频段没有被第d对D2D用户占用；

(2)在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息以实现最优安全资源分配：基站可以利用信道互易性，通过估计所有下行用户到基站的上行信道系数以及所有D2D用户接收机到基站的上行信道系数的方式，间接地获得如下信息：①基站至第n个下行用户的下行信道系数g_n，②第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，基站至该D2D用户接收机的干扰信道系数③第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户接收机与该D2D用户发射机之间在整个系统频段上的信道系数g_d,n；同时，所有下行用户也可以利用信道互易性，通过信道估计的方式获得如下信息：④第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时，该D2D用户发射机到该下行用户的干扰信道系数上述四类信息分别通过D2D用户与基站之间的控制信道和下行用户反馈给基站；

(3)基站根据步骤(2)所获得的四类信息，按照最大化所有D2D用户的本地频带效率的同时保持第n个下行用户的安全通行速率为R_n的准则，在所有D2D用户之间合理分配下行用户资源，优化第d对D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率为p_d,n，优化第n个下行用户的发送功率为p_n；

(4)根据步骤(3)中的准则，根据设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法进行如下优化计算：①优化指标变量x_d,n，得出最优指标变量②优化第d个D2D用户占用第n个下行用户频段时D2D用户发射机的发送功率p_d,n，得出最优发送功率③优化第n个下行用户的发送功率p_n，得出最优发送功率基站通过控制信道将最优指标变量和最优发送功率传递给第d对D2D用户，同时基站将向第n个下行用户的发送功率提升至以对抗来自于D2D用户的干扰以维持安全通行速率为R_n；

(5)根据步骤(4)的结果，第d对D2D用户以最优发送功率发送本地信息，而基站则按照最优发送功率与第n个下行用户保持安全通信。

2.根据权利要求1所述的关于设备间通信的安全资源分配与功率控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，设备间通信安全复用下行物理层资源与功率控制算法具体为：记 表示可以安全地被第d对D2D用户复用的下行用户集合，表示可以安全复用第n个下行用户的D2D用户集合，表示集合中元素的个数，表示集合中元素的个数；该方法是采用迭代的方式从三种具有代表性的功率值中分别选取一个值，以使得目标函数最大的，这三种功率值分别为：①第d对D2D用户在集合中平均功率，即②p_d,n的可行域边界，即③第d对D2D用户取得本地频带效率最大值时的极值点，即 $A_{d,n}=((g_n-\sqrt{\frac{g_n({\mathrm{\α}}_n-1)(g_n-g_{n,d}^I)}{{\mathrm{\α}}_n}})\frac{1}{g_{n,d}^I}-1)\frac{1}{g_{d,n}^I},$ 具体包括如下步骤：

步骤一：初始化，为每一对D2D用户在集合上实施简单的功率控制，即：

步骤二：循环从n＝1开始执行下列步骤直至n＝N：

若则同时令 $x_{\stackrel{\‾}{d},n}^{*}=1,x_{d,n}^{*}=0,d\≠\stackrel{\‾}{d},1\≤d\≤D;$

若则 $x_{d,n}^{*}=\mathrm{0,1}\≤d\≤D;$

其中：

$\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\Γ}}}_{d,n}\left(p_{d,n}\right)={\log }_2(1+\frac{g_{d,n}{p}_{d,n}(g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}))}{g_n-g_{n,d}^I(1+g_{n,d}^I{p}_{d,n})})-\\ \frac{g_{d,n}{\mathrm{\α}}_n{[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_{d,n}{g}_n{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)(g_n-g_{n,d}^I)}{\ln 2(1+{\mathrm{\α}}_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}){[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}^2+g_n{g}_{d,n}{p}_{d,n}(1-{\mathrm{\α}}_n)[g_n-g_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})]}\end{array}$

步骤三：根据以上步骤输出的最优指标变量和最优发送功率计算最优发送功率

$p_n^{*}=\frac{({\mathrm{\α}}_n-1)(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}{g_n-{\mathrm{\α}}_n{g}_{n,d}^I(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n})}$

结束。