CN105517134A - 支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，属于异构网络资源分配技术领域。该方法包括以下步骤：步骤1)、建模用户联合能效η；步骤2)、计算用户的安全速率；步骤3)、计算用户传输速率以及窃听速率；步骤4)、优化用户的发送功率；步骤5)、优化用户-网络关联策略。本发明所述方法可以有效保障在用户发送信息安全的情况下用户关联网络最优，用户传送功率最优，实现用户能效最大化。

Description

支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是异构网络资源分配技术领域，涉及一种支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法。

背景技术

近年来，各类无线接入技术得到快速发展，然而，无线接入技术的异构性，以及用户需求的多样性导致任何一种单一的无线接入技术均无法满足用户所有的业务需求,促使各种无线网络技术逐渐实现高效协同与融合共存，构成异构融合网络。

网络安全是无线网络的核心问题之一，也是无线网络成功推广和应用的基本条件，近年来，随着异构融合网络用户数量的急剧增加和网络应用的普及，网络安全问题也将面临更严峻的挑战，如何保证和提高信息的安全性，一直是异构融合网络技术研究的一个重点领域。

目前已有研究中，有文献提出基于用户协作来提高物理层传输安全性，针对存在多个窃听者、源节点及多个中继节点的网络，提出了一种源节点、中继节点协作方法，通过选择合作者，给予一定回报以激励合作者的协作方法。又例如，针对基站配备多天线和用户采用空分复用的蜂窝异构网络中用户关联和基站波束赋型问题，提出分布式基于联合效用优化的用户关联和基站波束赋型方法。

现有基于存在窃听用户网络场景的资源分配方案的研究较少考虑异构网络场景，然而，接入网络的异构特性可能对资源分配方式提出困难及挑战。此外，现有资源分配研究较多考虑吞吐量、覆盖范围及频谱利用率的提升，较少研究网络能效性能优化，可能导致网络能效较低，对于能效敏感用户设备而言，传输性能及用户体验难以保障。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，在该方法中，若用户位于多个网络融合覆盖区域，可选择与合适的网络建立关联；假设窃听者存在于整个覆盖网络中，各网络的窃听者仅对与本网络建立关联的用户进行窃听；建模用户联合能效为优化目标，实现用户选择网络、用户发送功率的联合优化分配。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，包括以下步骤：步骤1)、建模用户联合能效η；步骤2)、计算用户的安全速率；步骤3)、计算用户传输速率以及窃听速率；步骤4)、优化用户的发送功率；步骤5)、优化用户-网络关联策略。

进一步，在步骤1)中，建模用户联合能效η为所有选择接入网络用户的能效和，即其中，η_ij为第i个用户与第j个网络关联时对应的能效；1≤i≤N，1≤j≤M，N及M分别为异构网络中用户总数及网络数目；x_ij为用户、网络关联标识，x_ij＝1表示为第i个用户与第j个用户进行关联，否则，x_ij＝0。

进一步，所述η_ij定义为其中，表示第i个用户与第j个网络关联时最低安全传输数据率，P^cir表示用户接入网络时电路所消耗的功率，P_ij表示第i个用户与第j个网络关联时用户的发送功率。

进一步，在步骤2)中，根据公式计算第i个用户与第j个网络关联时最低安全传输数据率，其中，表示第i个用户与第j个网络关联时传输数据率；表示第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率，0≤k≤k_j，k_j表示第j个网络中窃听者数目，1≤j≤M。

进一步，在步骤3)中，根据公式计算第i个用户与第j个网络关联时传输数据率，其中，B_j表示第j个网络带宽；h_ij表示第i个用户与第j个网络关联时，用户与基站之间链路的信道增益；σ²为传输信道噪声功率，假设传输信道噪声功率均相等；

根据公式计算当第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率,其中,表示第j个网络中第k个窃听者与第i个用户之间链路的信道增益。

进一步，在所述步骤5)中，建模用户-网络对功率优化问题确定用户最优功率分配策略，令x_ij＝1，即第i个用户与第j个网络关联，在满足用户发送功率小于电路所提供最大发送功率以及用户传输安全率大于信道最小传输速率条件下计算传输功率P_ij，确定 $P_{ij}^{*}=\arg {\mathrm{max\η}}_{ij}\left(P_{ij}\right)$ 为最优发送功率。

进一步，给定建模用户-网络关联优化问题，在满足x_ij∈{0,1},1≤i≤N,1≤j≤M和 $\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_{ij}=1,1\≤j\≤M$ 条件下确定用户-网络关联策略，即 $x_{ij}^{*}=\arg max\mathrm{\η}\left(x_{ij}\right).$

本发明的有益效果在于：本发明所述方法可以有效保障在用户发送信息安全的情况下用户关联网络最优，用户传送功率最优，实现用户能效最大化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为异构网络场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明所述的一种支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配算法,假设存在多个接入网络的异构融合网络中，不同接入网络之间，以及同一接入网络内部因采用正交多址接入方式，因而信息传输无干扰；各接入网络中均存在一个或多个窃听者，位于某个网络的窃听者仅窃听该网络中的用户信息，建模合法用户能效为最低安全传输速率与用户总功率消耗之比，基于用户联合能效优化实现用户关联及功率分配。

图1异构网络场景图，异构网络中用户选择网络进行通信，网络中还存在已接入用户、窃听者，通过优化用户-网络关联以及功率分配来最大化用户能效。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述方法具体包括以下步骤：

1)建模用户联合能效η：

建模用户联合能效η为所有选择接入网络用户的能效和，即定义为η_ij为第i个用户选择第j个网络的对应能效，1≤i≤N，1≤j≤M，N及M分别为异构网络中用户总数及网络数目,x_ij为用户、网络关联标识，x_ij＝1表示为第i个用户与第j个用户进行关联，否则，x_ij＝0。

2)计算用户的安全速率：

根据公式计算示第i个用户与第j个网络关联时的最低安全传输数据率，计算第i个用户与第j个网络关联时最低安全传输数据率，其中，表示第i个用户与第j个网络关联时传输数据率，表示当第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率。0≤k≤k_j，k_j表示第j个网络中窃听者数目，1≤j≤M。

3)计算用户传输速率以及窃听速率：

根据公式计算第i个用户与第j个网络关联时的传输数据率，其中，B_j表示第i个用户与第j个网络关联时传输带宽，h_ij表示第i个用户与第j个网络关联时，用户与基站之间链路的信道增益，σ²为传输信道噪声功率，假设传输信道噪声功率均相等。根据公式计算当第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率,其中,表示第j个网络中第k个窃听者与第i个用户之间的信道增益。

4)优化用户的发送功率：

将优化问题可等效为依次求解的两个子问题：用户-网络对功率优化问题；用户关联子问题。令x_ij＝1表示第i个用户与第j个网络关联，用户选择基站能效和为η_ij,在满足用户的发送功率小于电路所提供最大发送功率以及用户传输安全率大于信道最小传输速率条件下计算传输功率P_ij，确定为最优发送功率。

5)优化用户关联子问题：

给定建模用户-网络关联优化问题，在满足x_ij∈{0,1},1≤i≤N,1≤j≤M和 $\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_{ij}=1,1\≤j\≤M$ 的条件下确定用户-网络关联策略，即 $x_{ij}^{*}=\arg max\mathrm{\η}\left(x_{ij}\right).$

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)、建模用户联合能效η；

步骤2)、计算用户的安全速率；

步骤3)、计算用户传输速率以及窃听速率；

步骤4)、优化用户的发送功率；

步骤5)、优化用户-网络关联策略。

2.根据权利要求1所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：在步骤1)中，建模用户联合能效η为所有选择接入网络用户的能效和，即其中，η_ij为第i个用户与第j个网络关联时对应的能效；1≤i≤N，1≤j≤M，N及M分别为异构网络中用户总数及网络数目；x_ij为用户、网络关联标识，x_ij＝1表示为第i个用户与第j个用户进行关联，否则，x_ij＝0。

3.根据权利要求2所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：所述η_ij定义为其中，表示第i个用户与第j个网络关联时最低安全传输数据率，P^cir表示用户接入网络时电路所消耗的功率，P_ij表示第i个用户与第j个网络关联时用户的发送功率。

4.根据权利要求3所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：在步骤2)中，根据公式计算第i个用户与第j个网络关联时最低安全传输数据率，其中，表示第i个用户与第j个网络关联时传输数据率；表示第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率，0≤k≤k_j，k_j表示第j个网络中窃听者数目，1≤j≤M。

5.根据权利要求4所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：在步骤3)中，根据公式计算第i个用户与第j个网络关联时传输数据率，其中，B_j表示第j个网络带宽；h_ij表示第i个用户与第j个网络关联时，用户与基站之间链路的信道增益；σ²为传输信道噪声功率，假设传输信道噪声功率均相等；

根据公式计算当第i个用户与第j个网络关联时，网络j中第k个窃听者对第i个用户的窃听速率,其中,表示第j个网络中第k个窃听者与第i个用户之间链路的信道增益。

6.根据权利要求5所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：在所述步骤5)中，建模用户-网络对功率优化问题确定用户最优功率分配策略，令x_ij＝1，即第i个用户与第j个网络关联，在满足用户发送功率小于电路所提供最大发送功率以及用户传输安全率大于信道最小传输速率条件下计算传输功率P_ij，确定 $P_{\mathrm{ij}}^{*}=\arg \max {\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}\left(P_{\mathrm{ij}}\right)$ 为最优发送功率。

7.根据权利要求6所述的支持信息安全传输的异构融合网络联合用户关联及功率分配方法，其特征在于：给定建模用户-网络关联优化问题，在满足x_ij∈{0,1},1≤i≤N,1≤j≤M和 $\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{x}_{ij}=1,1\≤j\≤M$ 条件下确定用户-网络关联策略，即 $x_{ij}^{*}=\arg max\mathrm{\η}\left(x_{ij}\right).$