CN107171764B - 一种无线携能异构网络的安全传输方法及系统 - Google Patents

一种无线携能异构网络的安全传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种无线携能异构网络的安全传输方法和系统，无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量。安全传输时，FBS发送数据中包含承载信息的数据符号sI以及与sI相互独立的人工噪声
Figure DDA0001276843590000011
MBS发送数据符号sm给宏小区用户MUs，通过调整优化参数人工噪声
Figure DDA0001276843590000012
的协方差矩阵VE、FBS天线的波束形成矢量
Figure DDA0001276843590000013
和MBS天线的
Figure DDA0001276843590000014
实现无线携能异构网络的安全传输。

Description

一种无线携能异构网络的安全传输方法及系统
技术领域
本发明提供一种无线携能异构网络的安全传输方法，属于无线传输领域。
背景技术
由于互联网智能设备的高度普及(比如智能手机、平板电脑等)，极大地促进了高速率多媒体无线服务的快速发展，这使得移动运营商必须在下一代5G无线通信中提供更高的容量和更广的覆盖范围。通过增加小区密度获得更高的空间频谱复用是一种十分有效的解决手段。异构网络(HCN,Heterogeneous Network)由于可以实现无缝覆盖和更高的数据速率，成为一种前景广阔的网络密集化构架，并引起了学术界和工业界的广泛关注。在异构网络中，布置的微小区共享已存在的宏小区的频谱资源，在增大频谱效率的同时也带来了层间干扰。另外，微小区基站由于距离移动终端较近所以发射功率通常比宏小区基站小很多。
众所周知，异构网络构建了一种多个终端具有不同属性的多层拓扑结构，由于异构网络固有的开放性以及无线信道的广播特性，使得网络中的无线信息极容易被窃听。为此，物理层安全的提出被视为一种极为有效的解决手段。通过利用物理信道例如噪声和干扰的随机特性来实现安全传输，物理层安全已被证实能够大幅度提高异构网络的无线安全性能。
随着5G网络日益增长的业务需求，所需的能耗也大大增加，同步无线信息和功率传输(SWIPT,Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)被认为是为能量受限的无线系统供能的一种有效方法。相比传统的风能、太阳能等自然能源，能量接收机可以从周围环境的射频信号中获取能量。在异构网络中采用SWIPT可以有效地避免低能无线电池的频繁充电和更换。另外，部署微小区之后，移动设备与其服务基站之间采用短距离通信方式，使得移动设备可以更加高效地获取能量。
由于功率灵敏度对能量接收端和信息接收端的要求不同，能量接收机相较于信息接收机有更好的信道条件，因此能量接收机可以窃听基站传输给信息接收机的机密信息。如何在无线携能异构网络中实现安全传输是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种无线携能异构网络的安全传输方法，在无线携能的异构网络中，部署有宏小区基站(MBS,Macrocell base station)和微小区基站(FBS,Femtocell base station)，MBS服务M个宏小区用户(MUs,Macrocell users)，FBS服务K+1个微小区用户(FUs，Femtocell users)，FUs包括信息接收机(IR)和能量接收机(ERs)两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述安全传输方法包括：FBS发送数据中包含承载信息的数据符号sI以及与sI相互独立的人工噪声
Figure BDA0001276843570000021
以及MBS发送数据符号sm给MUs。
进一步地，所述人工噪声
Figure BDA0001276843570000022
同时干扰所述IR和ERs；所述信息接收机IR有1个，能量接收机ERs有K个；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；所述FBS通过天线发送数据时FBS天线的波束形成矢量
Figure BDA0001276843570000023
在所述MUs端，视该FBS天线发送数据为异构网络的层间干扰；所述MBS通过天线发送数据时MBS天线的波束成形矢量
Figure BDA0001276843570000024
在所述FUs端，视MBS天线发送数据为异构网络的层间干扰。
进一步地，从所述MBS到第m个宏小区用户MUm的信道参数、从MBS到IR的信道参数、从MBS到第k个能量接收机ERk的信道参数、从FBS到IR之间的信道参数、从FBS到ERk的信道参数、从FBS到MUm的信道参数都相互独立。
进一步地，所述方法还包括调整优化参数人工噪声
Figure BDA0001276843570000025
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure BDA0001276843570000026
和
Figure BDA0001276843570000027
的步骤，使得在所述无线携能异构网络的总发射功率限制和能量获取限制的条件下，IR端的最小安全通信速率最大化，所述最小安全通信速率是指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure BDA0001276843570000028
之差。
进一步地，所述调整优化参数人工噪声
Figure BDA0001276843570000029
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure BDA00012768435700000210
和
Figure BDA00012768435700000211
的步骤采用一阶泰勒展开和连续凸近似算法实现。其中所述调整优化人工噪声
Figure BDA00012768435700000212
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure BDA00012768435700000213
和
Figure BDA00012768435700000214
的步骤采用凸优化中的迭代算法实现。
同时，本发明提供了一种无线携能异构网络的安全传输系统，所述系统中部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息；FBS发送数据中包含承载信息的数据符号sI以及与sI相互独立的可调控的人工噪声
Figure BDA00012768435700000215
MBS发送数据符号sm给MUs。
进一步地，所述系统采用上面所述的无线携能异构网络的安全传输方法进行数据传输。
本发明能获得以下有益效果：
1.本发明是一种无线携能异构网络的安全传输方案，与现有的物理层安全传输方案相比，采用了适用于下一代5G无线通信的异构网络构架，在传输过程中，为能量接收机提供能量，为信息接收机提供信息，并在能量接收机窃听信息的场景下，为信息接收机提供最大的安全传输速率。
2.本发明所述方法采用能量和信息同时传输的网络，避免了频繁地充电和更换无线设备的电池，有助于延长设备的寿命，实现绿色通信。
3.本发明所述方法能够在通信过程中满足每个宏小区用户的SINR要求，在系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到信息接收机最大的安全通信速率，保障系统的正常通信。
附图说明
图1为本发明一种无线携能异构网络的安全传输方法及系统示意图；
图2为本发明提出的一种无线携能异构网络的安全传输方法在不同随机信道实现下的收敛性对比图；
图3为本发明提出的一种无线携能异构网络的安全传输方法在发射功率门限下与其他方案的保密速率性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明考虑的场景如图1所示，一种无线携能异构网络的安全传输方法及系统构建如下：在无线携能的两层异构网络中，部署了宏小区基站(MBS,Macrocell basestation)和微小区基站(FBS,Femtocell base station)；微小区基站服务K+1个微小区用户(FUs，Femtocell users)，宏小区基站服务M个宏小区用户(MUs,Macrocell users)。为了提高频谱效率，两者共享一定的频谱资源。宏小区基站配备了NM≥M根发射天线，微小区基站配备了NF≥K+1根发射天线，小区中的每个用户均为单接收天线。本发明假定，微小区基站可以传送无线能量，微小区中存在两类用户分别为一个信息接收机和K个能量接收机，微小区基站只考虑K个能量接收机通过射频信号获取能量的情况，K个能量接收机被认为会窃听微小区基站发送给信息接收机的机密信息。
具体地，FBS服务3个FUs，即一个信息接收机和2个能量接收机，配备了NF＝4根发射天线；MBS服务2个Mus，配备了NM＝4根发射天线。
Figure BDA0001276843570000031
表示宏小区用户MUs的集合，
Figure BDA0001276843570000041
表示能量接收机ERs的集合，宏小区中第m个宏小区用户表示为MUm，微小区第k个能量接收机表示为ERk；从宏小区MBS到MUm的信道参数，从MBS到信息接收机IR的信道参数和从MBS到ERk的信道参数分别表示为hm，hI,0和gk,0；从微小区基站FBS到信息接收机IR之间的信道参数为hI，从FBS到ERk的信道参数为gk，从FBS到MUm的信道参数为lm；所有信道参数相互独立，各元素均为独立同分布的复高斯随机变量。
首先，微小区基站发送数据给信息接收机。
为了实现安全传输并且在ERs端实现能量获取，FBS为了防止ERs的窃听，采用人工噪声辅助的波束成形方案，因此发送信号矢量可以表示为
Figure BDA0001276843570000042
式中sI表示承载信息的数据符号，
Figure BDA0001276843570000043
表示波束成形矢量；因此，
Figure BDA0001276843570000044
承载着发送给IR的机密信息。为了不失一般性，我们设定
Figure BDA0001276843570000045
表示发送信号的功率为1，上标T表示矢量的转置。
Figure BDA0001276843570000046
为均值为0，方差为VE的复高斯随机变量，表示由FBS发出了承载能量的人工噪声矢量，与sI相互独立；人工噪声矢量
Figure BDA0001276843570000047
会同时干扰IR和ERs；
接着，宏小区基站MBS发送数据符号给宏小区中第m个宏小区用户MUm。
设
Figure BDA0001276843570000048
为宏小区基站MBS向宏小区中的用户MUm发送的数据符号，
Figure BDA0001276843570000049
为相应的波束成形矢量，则MUm接收到的信号为
Figure BDA00012768435700000410
其中，上标H表示矢量的共轭转置，
Figure BDA00012768435700000411
表示MUm端的加性高斯白噪声，式(2)中的第一项为MUm预期的信号，第二项为宏小区中其他用户的干扰，最后两项为异构网络的层间干扰和背景噪声。
为了便于分析，宏小区用户均采用单用户检测，即层间干扰和层内干扰都被当作背景噪声的一部分，因此，MUm端的信号和噪声干扰比(SINR，signal to interferenceplus noise ratio)可以表示为
Figure BDA0001276843570000051
由于ERs会窃听FBS发送给IR的机密信号
Figure BDA0001276843570000052
因此IR和ERk收到的信号分别为：
Figure BDA0001276843570000053
Figure BDA0001276843570000054
其中，nI和nE,k分别表示IR端和ERk端的加性高斯白噪声，其方差分别为
Figure BDA0001276843570000055
和
Figure BDA0001276843570000056
通过式(4)和式(5)可以看出，IR和ERs除了受到背景噪声的干扰，还有来自MUs的干扰。
可以得到无线携能异构网络本系统的总传输功率为：
Figure BDA0001276843570000057
其中Tr(·)表示矩阵的迹。ERk端获取的能量为:
Figure BDA0001276843570000058
其中，ξ∈(0,1]为能量转换效率，表示将采集的能量转换为电能时存在的损失。根据式(4)和式(5)表示的接收信号，给定
Figure BDA0001276843570000059
则可达到的瞬时保密通信速率为：
Figure BDA00012768435700000510
其中，[x]+＝max{x,0}，
Figure BDA00012768435700000511
和
Figure BDA00012768435700000512
分别为IR端和ERk端可达到的通信速率，可以分别表示为：
Figure BDA00012768435700000513
Figure BDA00012768435700000514
由于FBS和MBS共享一样的频谱资源，所以存在层间干扰会降低IR和ERk接受信号的质量，但是同时也对ERk有益，因为ERk可以从层间干扰中获取能量。因此，需要谨慎地设计安全波束成形方案，在对IR影响最小的情况下降低ERk的信道质量。在这种情况下，我们进行波束成形矢量
Figure BDA0001276843570000061
Figure BDA0001276843570000062
和人工噪声协方差矩阵VE的联合优化，在满足每个MU的SINR要求，系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到IR最大的安全通信速率，此优化问题可以表示为:
Figure BDA0001276843570000063
Figure BDA0001276843570000064
Ptot≤Pth, (11c)
Figure BDA0001276843570000065
VE≥0. (11e)
其中，Γm为MUm的SINR要求，Pth表示最大发射功率阈值，Qk表示在ERk端规定的获取的能量值；
设公式(11a)～(11e)的求解为问题(11)，这是一个优化问题。由于优化问题(11)的目标函数构成了两个凸函数的差值，所以此优化问题是非凸问题，由于过高的计算复杂度，采用一般的优化方案很难解决此问题；
下面利用一阶泰勒展开和SCA(Successive Convex Approximation，连续凸近似)技术近似优化问题(11)。
为了简化表示，我们假定
Figure BDA0001276843570000066
通常假设MBS和FBS知道所有接收机的信道状态指示(CSI，Channel status indicator)；首先定义新矩阵：
Figure BDA0001276843570000067
和
Figure BDA0001276843570000068
满足rank(Wm)≤1和rank(WI)≤1，其中rank(·)表示矩阵的秩；当Wm≠0时，rank(Wm)＝1；当WI≠0时，rank(WI)＝1；引入实值松弛变量γI和γE，松弛变量x1，x2，x3，x4k，x5k，x6k，辅助变量v1,v2,u1k,u2k；定义新矩阵
Figure BDA0001276843570000069
Figure BDA00012768435700000610
定义
Figure BDA00012768435700000611
和
Figure BDA00012768435700000612
分别为下面步骤提到的迭代算法中变量x2，x3，x4k和γE第[n-1]次迭代后的结果，通过利用一阶泰勒级数在
Figure BDA00012768435700000613
和
Figure BDA00012768435700000614
上的展开，问题(11)可以转化为：
Figure BDA00012768435700000615
Figure BDA0001276843570000071
Tr(HIWI)≥v1 (12c)
Figure BDA0001276843570000072
Tr(GkWI)≤u1k (12e)
Figure BDA0001276843570000073
Figure BDA0001276843570000074
Figure BDA0001276843570000075
Figure BDA0001276843570000076
Figure BDA0001276843570000077
Figure BDA0001276843570000078
Figure BDA0001276843570000079
Figure BDA00012768435700000710
Figure BDA00012768435700000711
Figure BDA00012768435700000712
设公式(12a)～(12o)的求解为问题(12)。问题(12)是一个凸问题，可以使用凸优化方法解决。
作为优选，采用迭代算法解决问题(12)的具体步骤如下：
步骤1、根据问题(12)初始化
Figure BDA00012768435700000713
并设置n＝0；
步骤2、根据
Figure BDA00012768435700000714
解决凸问题(12)，获得最优值
Figure BDA00012768435700000715
步骤3、更新
Figure BDA00012768435700000716
并令n＝n+1；
步骤4、直到满足
Figure BDA00012768435700000717
输出最优解的结果，其中ε为算法的收敛容差；
至此，完成无线携能异构网络的安全传输。
本方法在最大发射功率阈值Pth＝40dBm条件下，多种随机信道实现下的收敛性能，仿真结果如图2所示。可以看出我们提出的方法能够在仅仅4次迭代后就有效收敛到稳定点，表示该算法收敛速度快，因而计算复杂度低。
如图3所示是本发明提出的方案、正交策略方案、无人工噪声方案以及无保密方案的可达到的安全速率的性能对比。可以看出，提出的方案在不同的发射功率下性能总是优于其他三种方案。这表示添加人工噪声可以提高信息接收机的安全传输性能。而且，随着最大发射功率阈值的增加，本发明提出的无线携能异构网络可达到的安全速率随之增大。

Claims (9)

1.一种无线携能异构网络的安全传输方法，所述无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；所述FBS通过天线发送数据时FBS天线的波束形成矢量
Figure FDA0002419699290000011
在所述MUs端，视该FBS天线发送数据为异构网络的层间干扰；所述MBS通过天线发送数据时MBS天线的波束成形矢量
Figure FDA0002419699290000012
在所述FUs端，视MBS天线发送数据为异构网络的层间干扰；所述安全传输方法包括：FBS发送数据中包含承载信息的数据符号sI以及与sI相互独立的人工噪声
Figure FDA0002419699290000013
的步骤；以及MBS发送数据符号sm给MUs的步骤；以及调整优化参数人工噪声
Figure FDA0002419699290000014
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure FDA0002419699290000015
和
Figure FDA0002419699290000016
的步骤，使得在所述无线携能异构网络的总发射功率限制和能量获取限制的条件下，IR端的最小安全通信速率最大化，所述最小安全通信速率是指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure FDA0002419699290000017
之差，其中k表示第k个能量接收机，0≤k≤K。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述人工噪声
Figure FDA0002419699290000018
同时干扰所述IR和ERs。
3.如权利要求1所述的方法，其中从所述MBS到第m个宏小区用户MUm的信道参数、从MBS到IR的信道参数、从MBS到第k个能量接收机ERk的信道参数、从FBS到IR之间的信道参数、从FBS到ERk的信道参数、从FBS到MUm的信道参数都相互独立。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述信息接收机IR有1个，能量接收机ERs有K个。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，给定
Figure FDA0002419699290000019
VE时IR端可达到的瞬时保密通信速率为：
Figure FDA00024196992900000110
其中，运算[x]+＝max{x,0}，
Figure FDA00024196992900000111
和
Figure FDA00024196992900000112
分别为IR端和ERk端可达到的通信速率。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述调整优化参数人工噪声
Figure FDA00024196992900000113
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure FDA0002419699290000021
和
Figure FDA0002419699290000022
的步骤采用一阶泰勒展开和连续凸近似算法实现。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述调整优化人工噪声
Figure FDA0002419699290000023
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure FDA0002419699290000024
和
Figure FDA0002419699290000025
的步骤采用凸优化中的迭代算法实现。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述迭代算法包括步骤：
a)初始化
Figure FDA0002419699290000026
并设置n＝0，其中
Figure FDA0002419699290000027
和
Figure FDA0002419699290000028
分别为算法中松弛变量x2，x3，x4k和γE第[n-1]次迭代后的结果；
b)根据
Figure FDA0002419699290000029
获得最优值
Figure FDA00024196992900000210
c)更新
Figure FDA00024196992900000211
并令n＝n+1；
d)直到满足
Figure FDA00024196992900000212
输出最优解的结果，其中ε为算法的收敛容差，
Figure FDA00024196992900000213
和
Figure FDA00024196992900000214
分别表示松弛变量γI在第(n-1)次和第n次迭代后的结果。
9.一种无线携能异构网络的安全传输系统，所述无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；所述FBS通过天线发送数据时FBS天线的波束形成矢量
Figure FDA00024196992900000215
在所述MUs端，视该FBS天线发送数据为异构网络的层间干扰；所述MBS通过天线发送数据时MBS天线的波束成形矢量
Figure FDA00024196992900000216
在所述FUs端，视MBS天线发送数据为异构网络的层间干扰；其特征在于，所述FBS发送数据中包含承载信息的数据符号sI以及与sI相互独立的人工噪声
Figure FDA00024196992900000217
所述MBS发送数据符号sm给MUs；所述无线携能异构网络通过调整优化参数人工噪声
Figure FDA00024196992900000218
的协方差矩阵VE、波束形成矢量
Figure FDA00024196992900000219
和
Figure FDA00024196992900000220
使得在所述无线携能异构网络的总发射功率限制和能量获取限制的条件下，IR端的最小安全通信速率最大化，所述最小安全通信速率是指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure FDA00024196992900000221
之差，其中k表示第k个能量接收机，0≤k≤K。
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