CN105657839B - 基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，属于无线通信技术领域。在含有窃听的全双工多载波安全系统中，以频谱共享模式为通信机制，在安全有效容量的基础上，通过跨层联合优化方法引入上层用户服务质量限制(时延QoS)，并在满足不同时延QoS限制下，完成全双工多载波安全系统的性能最优及资源利用最大的要求。因而，本发明规划了受总功率和全双工中继的环路干扰功率限制，最大化安全有效容量的优化问题，并通过拉格朗日对偶理论求得最优对偶因子，以实现最优的功率分配任务。该最优功率分配方法不但使全双工多载波安全系统满足了上层用户服务质量(时延QoS)的要求，更实现了系统安全性能的最优和物理层资源利用的高效化。

Description

基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，其有限的频谱资源使得研究面临极大的挑战，为了提高频谱利用率、缓解频谱需求，全双工无线通信应运而生。全双工通信是指允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个半双工通信方式的结合。但由于全双工设备的双天线设置而造成自干扰问题，却使得全双工技术并没有得到快速的应用。但近年来，随着自干扰消除技术的有效提高，全双工通信在学术研究上及实际应用中再次取得了重大的进步。“Achieving Single Channel Full Duplex Wireless Communication”(单通道全双工无线通信研究)【Proc.ACM MobiCom,Oct.2010,pp.1-12.】一文中分别介绍了天线消除、模拟消除以及数字消除技术来解决全双工设备双天线的自干扰问题。在应用自干扰消除技术时，频谱资源可以同时在发送和接收端进行复用，使异构网络能够实现几乎瞬时重发和高吞吐量的网络操作。

同时，由于无线传输媒介的开放性使得信道易于被窃听，因此对于任何无线通信系统,通信的安全性一直是人们最为关注的问题，也是衡量通信质量的重要标准。随着无线通信的快速发展，网络通信对安全性也提出了更高的要求。而近年来，通过利用日益丰富的物理层资源来保证无线通信的安全，已然成为更多研究人员关注的热点。

在无线通信网络传输中，QoS(服务质量)在新一代无线通信网络传输中起着至关重要的作用，有效容量是研究无线传输统计QoS性能的一种有效技术。基于有效容量模型，通过跨层设计的方法将各层网络协议进行分析优化，最终实现无线资源利用的最大化。事实上，由于衰落信道具有时变性，统计时延QoS约束比确定性时延QoS约束的适用性更强。“QoS Driven Power Allocation Over Full-Duplex Wireless Links”(全双工无线链路中基于QoS要求的功率分配)【2012IEEE International Conference on Communications(ICC),pp.5286-5290,2012.】一文讨论了基于QoS要求的无线链路功率分配问题。但是，这篇文章并没有考虑如何同时保证全双工多载波系统的安全性问题。

在2014年5月28日，专利CN103826219A一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法，该发明方法首次提出了安全有效容量的概念，并以安全有效容量模型为基础，同样在满足不同时延QoS限制下，提出了传统三节点保密系统的性能最优方法。而现有的文献中还没有探讨过如何在全双工多载波系统中兼顾系统安全性与时延QoS要求的方法。

发明内容

为了弥补现有的研究所存在的不足，本发明提供了一种基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法。本发明在保证时延QoS要求的情况下、借助安全有效容量模型，在全双工多载波安全系统中通过跨层联合优化实现了用户服务质量的需求，并且自适应地调整发射功率以减少功率浪费，使有限的物理层资源得到更高效率的利用。

本发明的技术方案如下：

一种基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，由以下通信系统来实现：该系统包括信源、中继、信宿和窃听，其中信源、信宿和窃听均有一根天线，而中继则包含一根接收天线和一根发送天线，同时中继采用DF(Decode-and-Forward)模式，设信源和信宿没有直接通信，则信源只能通过将信号先发送至中继，再由中继将接收的信号进行解码转发至信宿；同样设信源离窃听距离很远，因而窃听仅能窃听到中继所发出的信号；在全双工多载波安全系统中，系统带宽B被分成了K个子载波，令和分别表示在第k个子载波上信宿、中继和窃听的信干噪比，其中k∈K，其表达式分别为: 和其中和分别表示为信源到中继、中继到信宿、中继到窃听和干扰消除后环路干扰的信噪比，和分别表示信源和中继的发送功率，该功率分配方法的具体步骤如下：

1)在不考虑时延QoS时计算全双工多载波安全系统的瞬时保密速率

在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为：

其中min{}是对括号中部分取最小值，由上式可知当则得到根据log(·)函数的性质，这表明在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为负，即此时在这个子载波上并不进行功率分配，故为使保密速率为非负数，应该保证整个系统的保密速率则为所有子载波上的保密速率求和，即：

其中T_f是每帧时长，由反证法可证，当且仅当时，可以得到最优的功率分配解，

因此，整个系统的保密速率可以表示为

同样可以得到：

2)计算基于时延QoS的安全有效容量

安全有效容量是一个描述保密系统系统吞吐量的参量，其基本表达式为:

其中θ为时延(服务质量的一项指标)QoS指数，运算符号表示对大括号内部分求数学期望，将(3)式所得的R_sec代入(5)式即可得全双工多载波安全系统的安全有效容量E_sec(θ)：

3)确定优化问题

以安全有效容量为目标函数，总功率限制和环路干扰限制为约束条件，构造如下优化问题P1：

其中P_T和P_LI分别表示信源、中继的总功率和全双工中继两根天线间干扰消除后的干扰功率,均为一常数值，(7)式中的subject to符号及其后面的式子表示为约束式，subject to表示为约束符号，符号maximize表示求最大值符号，(7)式表示在约束式中对信源和中继总功率、全双工中继剩余环路干扰功率进行限制的条件下，求解符号maximize后的部分的最大值，在给定θ＞0时，基于函数log(·)的单调递增性，安全有效容量的最大化问题可以等效为如下最小化问题，同时将(4)式所得信源发送功率代入(7)中，则可得到如下该最小化问题P2：

符号minimize表示求最小值符号，注意上式中符号minimize后的函数，当θ趋于无穷小时，根据泰勒公式可以近似得到如下优化问题P3：

其中

4)求解优化问题

上述优化问题是凸问题，存在唯一的最优解，利用拉格朗日对偶理论，建立起原最小化问题即原问题与一个最大化问题即对偶问题之间的关联关系，通过求解对偶问题而得到原问题的最优值，原问题的对偶函数为：

其中λ₁是信源和中继总功率限制条件相关的对偶因子，λ₂是全双工中继剩余干扰功率制条件相关的对偶因子，令其中运算符号表示定义，运算符号()^T表示对括号内部分的向量的转置，对偶函数对应的对偶问题如下：

该对偶问题表示在对偶因子λ≥0的约束条件下，通过优化λ求解对偶函数D(λ)的最大值，对于对偶问题，可借助子梯度下降迭代算法求解最优的对偶因子λ^*，λ^*的求解过程具体如下：

A)设置初始迭代次数t＝0，设置系统QoS要求指数θ为定值，对偶因子初始值λ₁(0)和λ₂(0)均为非负实数；

B)当迭代次数为t时，用λ(t)表示当前更新的对偶因子，基于当前对偶因子λ(t)求解对偶函数公式(10)，得到迭代次数为t时对应的中继的最优发送功率P(λ(t))；

C)采用以下两式分别更新对偶因子：

其中符号[]⁺表示[]中的部分取非负值，α(t)为迭代步长；t为迭代次数；

D)令若λ^*满足预定义的数据精度，则输出最优对偶因子λ^*；否则，令t＝t+1，跳转至步骤B)，继续迭代，直到满足预定义的数据精度；

5)求得对应延时QoS指数θ下最优的信源和中继分配功率和最大安全有效容量

将步骤4)中所得的最优对偶因子λ^*代入对偶函数公式(10)可得信源和中继的瞬时发射功率最优解，再将信源和中继的瞬时发射功率最优解带入安全有效容量公式(6)即可得对应时延QoS指数θ下的最大安全有效容量。

本发明所提出的一种保证时延QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，具体实现就是物理层能够根据信道状态的变化及上层不同的QoS下调整信源节点和中继节点的发送功率和实现最优的资源分配。

本发明借助安全有效容量模型，在全双工多载波安全系统中通过跨层联合优化实现了用户服务质量的需求，并且自适应地调整发射功率以减少功率浪费，使有限的物理层资源得到更高效率的利用，具有重大的理论和现实意义。

附图说明

图1为实现本发明方法的通信系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，由以下通信系统来实现：该系统包括信源、中继、信宿和窃听，其中信源、信宿和窃听均有一根天线，而中继则包含一根接收天线和一根发送天线，同时中继采用DF

(Decode-and-Forward)模式，设信源和信宿没有直接通信，则信源只能通过将信号先发送至中继，再由中继将接收的信号进行解码转发至信宿；同样设信源离窃听距离很远，因而窃听仅能窃听到中继所发出的信号；在全双工多载波安全系统中，系统带宽B被分成了K个子载波，令和分别表示在第k个子载波上信宿、中继和窃听的信干噪比，其中k∈K，其表达式分别为:和其中 和分别表示为信源到中继、中继到信宿、中继到窃听和干扰消除后环路干扰的信噪比，和分别表示信源和中继的发送功率，该功率分配方法的具体步骤如下：

1)在不考虑时延QoS时计算全双工多载波安全系统的瞬时保密速率

在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为：

其中min{}是对括号中部分取最小值，由上式可知当则得到根据log(·)函数的性质，这表明在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为负，即此时在这个子载波上并不进行功率分配，故为使保密速率为非负数，应该保证整个系统的保密速率则为所有子载波上的保密速率求和，即：

其中T_f是每帧时长，由反证法可证，当且仅当时，可以得到最优的功率分配解，因此，整个系统的保密速率可以表示为

同样可以得到：

2)计算基于时延QoS的安全有效容量

安全有效容量是一个描述保密系统系统吞吐量的参量，其基本表达式为:

其中θ为时延(服务质量的一项指标)QoS指数，运算符号表示对大括号内部分求数学期望，将(3)式所得的R_sec代入(5)式即可得全双工多载波安全系统的安全有效容量E_sec(θ)：

3)确定优化问题

以安全有效容量为目标函数，总功率限制和环路干扰限制为约束条件，构造如下优化问题P1：

其中P_T和P_LI分别表示信源、中继的总功率和全双工中继两根天线间干扰消除后的干扰功率,均为一常数值，(7)式中的subject to符号及其后面的式子表示为约束式，subject to表示为约束符号，符号maximize表示求最大值符号，(7)式表示在约束式中对信源和中继总功率、全双工中继剩余环路干扰功率进行限制的条件下，求解符号maximize后的部分的最大值，在给定θ＞0时，基于函数log(·)的单调递增性，安全有效容量的最大化问题可以等效为如下最小化问题，同时将(4)式所得信源发送功率代入(7)中，则可得到如下该最小化问题P2：

符号minimize表示求最小值符号，注意上式中符号minimize后的函数，当θ趋于无穷小时，根据泰勒公式可以近似得到如下优化问题P3：

其中

4)求解优化问题

上述优化问题是凸问题，存在唯一的最优解，利用拉格朗日对偶理论，建立起原最小化问题即原问题与一个最大化问题即对偶问题之间的关联关系，通过求解对偶问题而得到原问题的最优值，原问题的对偶函数为：

其中λ₁是信源和中继总功率限制条件相关的对偶因子，λ₂是全双工中继剩余干扰功率制条件相关的对偶因子，令其中运算符号表示定义，运算符号()^T表示对括号内部分的向量的转置，对偶函数对应的对偶问题如下：

该对偶问题表示在对偶因子λ≥0的约束条件下，通过优化λ求解对偶函数D(λ)的最大值，对于对偶问题，可借助子梯度下降迭代算法求解最优的对偶因子λ^*，λ^*的求解过程具体如下：

A)设置初始迭代次数t＝0，设置系统QoS要求指数θ为定值，对偶因子初始值λ₁(0)和λ₂(0)均为非负实数；

B)当迭代次数为t时，用λ(t)表示当前更新的对偶因子，基于当前对偶因子λ(t)求解对偶函数公式(10)，得到迭代次数为t时对应的中继的最优发送功率P(λ(t))；

C)采用以下两式分别更新对偶因子：

其中符号[]⁺表示[]中的部分取非负值，α(t)为迭代步长；t为迭代次数；

D)令若λ^*满足预定义的数据精度，则输出最优对偶因子λ^*；否则，令t＝t+1，跳转至步骤B)，继续迭代，直到满足预定义的数据精度；

5)求得对应延时QoS指数θ下最优的信源和中继分配功率和最大安全有效容量

将步骤4)中所得的最优对偶因子λ^*代入对偶函数公式(10)可得信源和中继的瞬时发射功率最优解，再将信源和中继的瞬时发射功率最优解带入安全有效容量公式(6)即可得对应时延QoS指数θ下的最大安全有效容量。

Claims (1)

1.一种基于QoS要求的全双工多载波安全系统的功率分配方法，由以下通信系统来实现：该系统包括信源、中继、信宿和窃听，其中信源、信宿和窃听均有一根天线，而中继则包含一根接收天线和一根发送天线，同时中继采用DF模式，设信源和信宿没有直接通信，则信源只能通过将信号先发送至中继，再由中继将接收的信号进行解码转发至信宿；同样设信源离窃听距离很远，因而窃听仅能窃听到中继所发出的信号；在全双工多载波安全系统中，系统带宽B被分成了K个子载波，令和分别表示在第k个子载波上信宿、中继和窃听的信干噪比，其中k∈K，其表达式分别为:和其中和分别表示为信源到中继、中继到信宿、中继到窃听和干扰消除后环路干扰的信噪比，和分别表示信源和中继的发送功率，该功率分配方法的具体步骤如下：

1)在不考虑时延QoS时计算全双工多载波安全系统的瞬时保密速率

在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为：

其中min{}是对括号中部分取最小值，由上式可知当则得到根据log(·)函数的性质，这表明在第k个子载波上全双工中继的瞬时保密速率为负，即此时在这个子载波上并不进行功率分配，故为使保密速率为非负数，应该保证整个系统的保密速率则为所有子载波上的保密速率求和，即：

其中T_f是每帧时长，由反证法可证，当且仅当时，可以得到最优的功率分配解，因此，整个系统的保密速率可以表示为

同样可以得到：

2)计算基于时延QoS的安全有效容量

安全有效容量是一个描述保密系统系统吞吐量的参量，其基本表达式为:

其中θ为时延QoS指数，运算符号表示对大括号内部分求数学期望，将(3)式所得的R_sec代入(5)式即可得全双工多载波安全系统的安全有效容量E_sec(θ)：

3)确定优化问题

以安全有效容量为目标函数，总功率限制和环路干扰限制为约束条件，构造如下优化问题P1：

其中P_T和P_LI分别表示信源、中继的总功率和全双工中继两根天线间干扰消除后的干扰功率,均为一常数值，(7)式中的subject to符号及其后面的式子表示为约束式，subjectto表示为约束符号，符号maximize表示求最大值符号，(7)式表示在约束式中对信源和中继总功率、全双工中继剩余环路干扰功率进行限制的条件下，求解符号maximize后的部分的最大值，在给定θ＞0时，基于函数log(·)的单调递增性，安全有效容量的最大化问题可以等效为如下最小化问题，同时将(4)式所得信源发送功率代入(7)中，则可得到如下该最小化问题P2：

符号minimize表示求最小值符号，注意上式中符号minimize后的函数，当θ趋于无穷小时，根据泰勒公式可以近似得到如下优化问题P3：

其中

4)求解优化问题

上述优化问题是凸问题，存在唯一的最优解，利用拉格朗日对偶理论，建立起原最小化问题即原问题与一个最大化问题即对偶问题之间的关联关系，通过求解对偶问题而得到原问题的最优值，原问题的对偶函数为：

其中λ₁是信源和中继总功率限制条件相关的对偶因子，λ₂是全双工中继剩余干扰功率制条件相关的对偶因子，令其中运算符号表示定义，运算符号()^T表示对括号内部分的向量的转置，对偶函数对应的对偶问题如下：

该对偶问题表示在对偶因子λ≥0的约束条件下，通过优化λ求解对偶函数D(λ)的最大值，对于对偶问题，可借助子梯度下降迭代算法求解最优的对偶因子λ^*，λ^*的求解过程具体如下：

A)设置初始迭代次数t＝0，设置系统QoS要求指数θ为定值，对偶因子初始值λ₁(0)和λ₂(0)均为非负实数；

B)当迭代次数为t时，用λ(t)表示当前更新的对偶因子，基于当前对偶因子λ(t)求解对偶函数公式(10)，得到迭代次数为t时对应的中继的最优发送功率P(λ(t))；

C)采用以下两式分别更新对偶因子：

其中符号[]⁺表示[]中的部分取非负值，α(t)为迭代步长；t为迭代次数；

D)令若λ^*满足预定义的数据精度，则输出最优对偶因子λ^*；否则，令t＝t+1，跳转至步骤B)，继续迭代，直到满足预定义的数据精度；

5)求得对应延时QoS指数θ下最优的信源和中继分配功率和最大安全有效容量

将步骤4)中所得的最优对偶因子λ^*代入对偶函数公式(10)可得信源和中继的瞬时发射功率最优解，再将信源和中继的瞬时发射功率最优解带入安全有效容量公式(6)即可得对应时延QoS指数θ下的最大安全有效容量。