CN105681110B - 安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，属于移动通信技术领域。该方法包括以下步骤：步骤1)、采集网络及用户内参数信息；步骤2)、定义网络选择标识β_m，n；步骤3)、计算合法用户采集功率步骤4)、计算合法用户平均保密速率和合法用户传输速率步骤5)、计算网络n内窃听用户的平均接收速率步骤6)、计算单链路平均能效E(η_m，n)和网络平均总能效E(η)；步骤7)、设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制；步骤8)、根据网络总能效最大化准则联合优化确定网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略。本发明所述方法可以有效保障在满足网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比的约束条件的限制下实现网络能效优化。

Description

安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是无线携能网络资源分配技术领域，公开一种基于安全传输的无线携能网络联合网络选择及资源分配方法。

背景技术

随着无线通信技术快速发展，能源消耗问题日益严峻。为解决当前传统能源使用方式造成能源利用率低下的问题，可采用高效的能量采集技术。作为一种新型能量采集技术，无线携能通信融合通信技术及输电技术，实现信息与能量的并行传输，在传输信息的同时实现能量采集，具有广阔应用前景。同时，联合考虑网络选择的无线携能网络可有效解决在当前异构网络融合环境下多模终端在有多种无线接入技术并存的复杂环境中合理选择最有效无线承载的问题。

网络安全是当前无线网络核心问题之一，也是无线网络大规模普及和应用的前提条件。随着无线携能网络未来的普及，网络安全问题也将面临更加严峻的挑战，如何保证和提高信息的安全性，一直是无线携能网络技术研究的一个重点领域。

目前已有研究考虑无线携能网络中基于安全传输的资源分配方法，如文献[HuangX,Li Q,Zhang Q,et al.Power allocation for secure OFDMA systems with wirelessinformation and power transfer,Electronics Letters,2014]中提出了一种基于保密速率最大化的功率分配算法，文献[Zhang M,Liu Y,Feng S.Energy harvesting forsecure OFDMA systems,Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2014]考虑在OFDMA下行系统中，基于最大化采集功率的最佳联合子载波分配和功率分流比策略的算法。

现有基于窃听用户网络场景的资源分配方案的研究中较少考虑用户的网络选择问题以及窃听用户位置随机分布下的资源分配问题。此外，现有资源分配研究较多以吞吐量优化为目标，未考虑用户设备能量消耗，可能导致能效较低，对于能耗敏感终端设备，其业务体验将受到严重影响。

发明内容

针对以上技术的不足，提出了一种保障合法用户QoS需求的同时实现网络能效最大化的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法。本发明的技术方案如下：一种安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，所述无线携能网络的每个合法用户选择一个网络进行通信，其包括以下步骤：

步骤1)、采集网络及用户内参数信息，包括网络n的信道带宽B_n，网络n的AP与用户之间链路的信道衰落因子c_n及路径损耗因子α_n，合法用户m与网络n的AP之间的距离d_m,n，网络n内的窃听用户到网络内AP的距离d_n；

步骤2)、定义网络选择标识β_m,n；

步骤3)、计算合法用户采集功率

步骤4)、计算合法用户平均保密速率和合法用户传输速率

步骤5)、计算网络n内窃听用户的平均接收速率

步骤6)、根据步骤4)和步骤5)计算单链路平均能效E(η_m,n)和网络平均总能效E(η)；

步骤7)、设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制；

步骤8)、根据网络总能效最大化准则联合优化确定网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略。

进一步的，所述步骤2)合法用户网络选择标识β_m,n表示为第m个合法用户的网络选择标识：β_m,n∈{0,1}，1≤m≤M，1≤n≤N，其中M为合法用户总数，N为可供接入的网络总数，β_m,n＝1表示合法用户m选择网络n接入，β_m,n＝0表示合法用户m未选择网络n接入。

进一步的，所述步骤3)合法用户在接收到网络接入点AP发送信息的同时执行能量采集，令δ_m和ρ_m分别为合法用户m的能量采集效率和功率分流比，则合法用户m选择网络n接入时采集到的功率为：其中，P_m,n为合法用户m选择网络n时AP的发送功率，为网络n的AP与用户m之间的链路增益，

进一步的，所述步骤4)合法用户m接入网络n时对应平均保密速率和合法用户m接入网络n时传输速率的计算公式为：其中，为合法用户m接收到网络n所发数据的接收速率， 为合法用户接收信噪比，其中，σ²为链路噪声功率，为网络n内窃听用户窃听合法用户m时的平均接收速率。

进一步的，所述步骤5)平均接收速率的计算公式为 其中，为合法用户m选择网络n接收AP发送数据时窃听用户接收信噪比， 为网络n的AP与窃听用户之间的链路增益，其中，窃听用户位置在距AP距离为R₀到R的圆环区域内均匀分布，d_n的概率密度函数为：R₀≤d_n≤R。

进一步的，所述步骤6)网络平均总能效的计算公式为其中，E(η_m,n)为合法用户m选择网络n接入时对应的平均能效，P_c为电路消耗功率。

进一步的，所述步骤7)设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制具体为；网络选择标识β_m,n应满足条件：合法用户传输速率需求条件：其中，为合法用户m的最小接收速率需求；合法用户采集功率需满足条件：其中，为合法用户m最小采集能量；网络n内AP发送功率需满足条件：其中，为网络n可发送最大功率；功率分流比ρ_m需满足条件：0≤ρ_m≤1。

进一步的，在满足所述步骤8)设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比的限制条件后，调用公式 基于网络总能效最大的原则联合优化求解得到网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略即 其中，表示最佳网络选择策略，表示最佳AP发送功率，表示最佳功率分流比。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明所述方法可以在有效保障合法用户QoS需求以及支持安全传输的同时，实现网络能效优化。本发明步骤5)中考虑窃听用户在网络覆盖范围内随机分布的场景，假设场景贴近现实，可推广应用于实际场景；步骤7)中所设置的限制条件可保证所述方法能够保证合法用户QoS需求，以及合法用户采集功率，可用来提供合法用户设备自身功率消耗；步骤8)中根据网络平均能效最大化准则联合优化可有效保证能耗敏感终端的通信性能，提高系统能效。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例无线携能网络存在窃听用户场景模型图；

图2为无线携能网络合法用户接收机结构图；

图3为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述的一种基于安全传输的无线携能网络联合网络选择及资源分配方法，建模合法用户平均能效为平均保密速率与总功率消耗之比，基于网络平均总能效联合优化合法用户网络选择，网络内AP发送功率分配以及能量采集策略。

图1为无线携能网络存在窃听用户场景模型图，每个合法用户选择一个网络进行通信，且每个网络内均存在一个位置随机的窃听用户，窃听用户可窃听接入当前网络内合法用户信息。

图2为无线携能网络合法用户接收机结构图，合法用户在接收到AP所发信息后，采用动态功率分配方式采集存储能量，令ρ_m为合法用户m执行能量采集的功率分流比例。

图3为本发明提出的基于安全传输的无线携能网络联合网络选择及资源分配方法流程图，具体包括以下步骤：

1)采集网络及用户内参数信息：

采集网络及用户内参数信息，包括网络n的信道带宽B_n，网络n内AP与用户之间链路的信道衰落因子c_n及路径损耗因子α_n，合法用户m与网络n的AP之间的距离d_m,n，网络n内的窃听用户到网络内AP的距离d_n。

2)定义网络选择标识β_m,n；

定义合法用户网络选择标识β_m,n∈{0,1},1≤m≤M,1≤n≤N，其中M为合法用户总数，N为可供接入的网络总数，β_m,n＝1表示合法用户m选择网络n接入，β_m,n＝0表示合法用户m未选择网络n接入，β_m,n应满足条件： n＝1Nβm,n≤1,1≤m≤M。

3)计算合法用户采集功率

合法用户在接收到网络接入点AP发送信息的同时执行能量采集，令δ_m为合法用户m的能量采集效率，ρ_m为对应合法用户能量采集的功率分流比，则合法用户m选择网络n接入时采集到的功率为：其中，P_m,n为合法用户m选择网络n时AP的发送功率，为网络n的AP与用户m之间的链路增益，

4)计算合法用户平均保密速率和合法用户传输速率

计算合法用户平均保密速率，其中，为合法用户m接收到网络n所发数据的接收速率， 为合法用户接收信噪比，其中σ²为高斯白噪声方差。为网络n内窃听用户的平均接收速率。

5)计算网络n内窃听用户的平均接收速率

计算窃听用户平均传输速率其中，为合法用户m选择网络n接收AP发送数据时窃听用户接收信噪比，其中为对应链路增益其中，窃听用户位置在距AP距离为R₀到R的圆环区域内均匀分布，d_n概率密度函数为：

6)计算单链路平均能效E(η_m,n)和网络平均总能效E(η)：

计算网络平均总能效为其中，E(η_m,n)为合法用户m选择网络n接入时的单链路平均能效，P_c为电路消耗功率。

7)设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制：

网络选择标识β_m,n应满足条件： 合法用户传输速率需求条件：Rm,nu≥Rmmin，其中，Rmmin为合法用户m的最小接收速率需求；合法用户采集功率需满足条件：其中，为合法用户m最小采集能量；网络n内AP发送功率需满足条件：其中，为网络n可发送最大功率；功率分流比ρ_m需满足条件：0≤ρ_m≤1。

8)根据网络平均总能效最大化准则联合优化确定网络选择、网络接入点发送功率以及能量采集策略：

设置约束条件对网络选择、合法用户速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比的限制条件后，调用公式基于网络总能效最大的原则联合优化求解得到网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略即其中，表示最佳网络选择策略，表示最佳AP发送功率，表示最佳功率分流比。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，所述无线携能网络的每个合法用户选择一个网络进行通信，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、采集网络及用户参数信息，包括网络n的信道带宽B_n，网络n的AP与用户之间链路的信道衰落因子c_n及路径损耗因子α_n，合法用户m与网络n的AP之间的距离d_m,n，网络n内的窃听用户到网络内AP的距离d_n；

步骤2)、定义网络选择标识β_m,n；所述步骤2)合法用户m网络选择标识β_m,n表示为第m个合法用户的网络选择标识：β_m,n∈{0,1}，1≤m≤M，1≤n≤N，其中M为合法用户总数，N为可供接入的网络总数，β_m,n＝1表示合法用户m选择网络n接入，β_m,n＝0表示合法用户m未选择网络n接入；

步骤3)、计算合法用户m采集功率

步骤4)、计算合法用户m平均保密速率和合法用户m传输速率

步骤5)、计算网络n内窃听用户的平均接收速率

步骤6)、根据步骤4)和步骤5)计算单链路平均能效E(η_m,n)和网络平均总能效E(η)；

步骤7)、设置约束条件对网络选择、合法用户m传输速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制；

步骤8)、根据网络平均总能效最大化准则联合优化确定网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略。

2.根据权利要求1所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤3)合法用户m在接收到网络接入点AP发送信息的同时执行能量采集，令δ_m和ρ_m分别为合法用户m的能量采集效率和功率分流比，则合法用户m选择网络n接入时采集到的功率为：其中，P_m,n为合法用户m选择网络n时AP的发送功率，为网络n的AP与合法用户m之间的链路增益，

3.根据权利要求2所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤4)合法用户m接入网络n时对应平均保密速率和合法用户m接入网络n时传输速率的计算公式为：其中， 为合法用户m接收信噪比，其中，ρ_m为合法用户m的功率分流比，P_m,n为合法用户m选择网络n时AP的发送功率，为网络n的AP与合法用户m之间的链路增益，σ²为链路噪声功率，为网络n内窃听用户窃听合法用户m时的平均接收速率。

4.根据权利要求3所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤5)平均接收速率的计算公式为其中，为合法用户m选择网络n接收AP发送数据时窃听用户接收信噪比， 为网络n的AP与窃听用户之间的链路增益，其中，窃听用户位置在距AP距离为R₀到R的圆环区域内均匀分布，R0、R分别表示圆环的半径，d_n概率密度函数为：

5.根据权利要求4所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤6)网络平均总能效的计算公式为 M为合法用户总数，N为可供接入的网络总数，其中，E(η_m,n)为合法用户m选择网络n接入时对应的平均能效，P_c为电路消耗功率。

6.根据权利要求5所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：所述步骤7)设置约束条件对网络选择、合法用户m传输速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比进行限制具体为：网络选择标识β_m,n应满足条件：合法用户m传输速率需满足条件：其中，为合法用户m接入网络n时的最小传输速率需求；合法用户m采集功率需满足条件：其中，为合法用户m最小采集能量；网络n内AP发送功率需满足条件：其中，为网络n可发送最大功率；功率分流比ρ_m需满足条件：0≤ρ_m≤1。

7.根据权利要求6所述的安全传输无线携能网络的联合网络选择及资源分配方法，其特征在于：在满足所述步骤8)设置约束条件对网络选择、合法用户m传输速率、AP发送功率、采集功率以及功率分流比的限制条件后，调用公式基于网络平均总能效最大化准则联合优化求解得到网络选择、能量采集以及AP发送功率分配策略即

其中，E(η)表示网络平均总能效，表示最佳网络选择策略，表示最佳AP发送功率，表示最佳功率分流比。