CN110650479B - 异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法及装置 - Google Patents

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CN110650479B CN201910862651.4A CN201910862651A CN110650479B CN 110650479 B CN110650479 B CN 110650479B CN 201910862651 A CN201910862651 A CN 201910862651A CN 110650479 B CN110650479 B CN 110650479B
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Abstract

本发明公开一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，包括：网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息；微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；宏基站以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送；本发明还公开一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置。本发明解决了信道状态信息不准确情形下异构携能通信网络中的信息安全传输问题。

Description

异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法及装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法及装置。
背景技术
随着无线设备数量的增加及对数据流量需求的不断提高，促使5G通信网络向异构化方向不断演进。异构网络通过在宏基站覆盖范围内密集部署小基站(微基站)，为网络容量及频谱利用率的提升带来益处，但同时也面临着各层网络间的互相干扰问题。从传统通信角度来看，这些干扰会降低通信质量，影响用户体验。而近年来随着无线携能通信技术(IKrikidia,S Timotheou,S Nikolaou.:‘Simultaneous wireless information and powertransfer in modern communication systems’,IEEE Communications magazine,2014,52,(11),pp.104-110.)的发展，将其与异构网络相结合组成异构携能通信网络，为提升5G网络中能量利用效率、实现绿色通信提供了新的思路。然而，与传统蜂窝网络相比，异构携能通信网络(S.Akbar,Y.Deng,A.Nallanathan.:‘Simultaneous wireless informationand power transfer in K-tier heterogeneous cellular networks’,IEEETransactions on Wireless Communications,2016,15,(8),pp.5804–5818.)的架构更加开放，包含的节点类型更加多样，使窃听者更容易混入到网络中对信息进行窃听。作为对传统高层加密手段的补充，无线物理层安全传输技术近年来越来越受到业界的广泛关注。物理层安全传输技术(B.Li,Z.Fei,X.Xu and Z.Chu.:‘Resource allocations for securecognitive satellite-terrestial networks’,IEEE Wireless CommunicationsLetters,2018,7,(1),pp.78-81.)通过利用无线信道特征的显著差异设计与位置强关联的信号传输和处理机制，生成私密的传输管道，从而达到无线通信“物理隔离”的效果。波束成形与人工干扰噪声是常见的两类提升物理层安全传输性能的技术，利用其可以分别提升合法接收者性能及降低窃听者接收性能，从而保证系统安全性。
另一方面，在无线通信中，信道状态信息的准确与否会对物理层安全传输性能产生很大的影响。不幸地是，由于异构携能通信网络本身结构的特点，如基站的密集部署、节点类型及数目众多等，会影响信道状态信息的获取过程，使得信道状态信息不准确的概率进一步增加。因此，在信道状态信息不准确情形下，结合异构携能通信网络结构特点解决其中的信息安全传输问题，提出一种鲁棒的物理层安全传输方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对信道状态信息不准确情形下异构携能通信网络中的信息安全传输问题，考虑将基站协作与波束成形、人工噪声技术结合，并在此基础上提出了一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，包括：
步骤1：网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
步骤2：微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
步骤3：宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
步骤4：宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
步骤5：微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
进一步地，所述信道状态信息为信道矢量；所述信道误差信息为信道误差矢量，且位于一个确定的范数界。
进一步地，所述步骤3包括：
步骤3.1：设定起始迭代计数、最大迭代次数及起始可行解参数；
步骤3.2：所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，及宏基站天线数、每个微基站配备天线数、宏基站发送功率限制、每个微基站发送功率限制、协作微基站数目、宏基站用户数目、宏小区窃听者配备天线数、微小区能量接收者配备天线数进行目标联合设计；
步骤3.3：求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值。
进一步地，所述步骤4包括：
步骤4.1：将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
步骤4.2：宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置，包括：
信息采集模块，用于网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
第一信息传递模块，用于微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
目标联合设计模块，用于宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
第二信息传递模块，用于宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
第三信息传递模块，用于微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
进一步地，所述目标联合设计模块包括：
参数设定模块，用于设定起始迭代计数、最大迭代次数及起始可行解参数；
目标联合设计子模块，用于所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，及宏基站天线数、每个微基站配备天线数、宏基站发送功率限制、每个微基站发送功率限制、协作微基站数目、宏基站用户数目、宏小区窃听者配备天线数、微小区能量接收者配备天线数进行目标联合设计；
最优求解模块，用于求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值。
进一步地，所述第二信息传递模块包括：
区分子模块，用于将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
矢量分发子模块，用于宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本发明将异构网络与无线携能通信技术结合，基于基站协作，将波束成形与人工噪声技术结合，从而保障通信的安全性和可靠性；
2、本发明基于对网络中获取的信道状态信息不准确情形，提出一种可以抵抗信道误差的鲁棒安全传输方法，具有很好的鲁棒性；
3、本发明基于对窃听者装备多天线的假设，具有很强的适应性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法的异构携能通信网络物理层安全模型示意图；
图2为本发明实施例一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法的基本流程图；
图3为本发明实施例一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
实施例一
如图1所示，为一个两层异构携能通信网络物理层安全模型，宏基站和微基站分别向宏基站用户和微基站信息接收用户(微基站用户)传递私密信息。宏小区内存在潜在窃听者(宏基站用户窃听者)对宏基站用户下行信息进行窃听，微小区内能量接收用户扮演着对信息接收用户的潜在窃听者(微基站用户窃听者)。本发明在多基站协作场景下且信道状态信息不准确情形下，将波束成形与人工噪声技术结合，从而保障通信的安全性和可靠性。
如图2所示，一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，包括：
步骤S101：网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户(本地用户)的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
步骤S102：微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
步骤S103：宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，即全局信道状态信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
步骤S104：宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
步骤S105：微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
具体地，所述信道状态信息为信道矢量；所述信道误差信息为信道误差矢量，且位于一个确定的范数界；举例说明：
Figure BDA0002200266750000051
其中，h、
Figure BDA0002200266750000052
e分别为实际信道矢量、基站侧获取的信道估计矢量及信道误差矢量，ε为信道误差矢量的范数界；在基站侧，
Figure BDA0002200266750000053
和ε为已知。
具体地，所述步骤S103包括：
步骤S103.1：设定起始迭代计数q＝0、最大迭代次数Qmax及起始可行解参数
Figure BDA0002200266750000054
需赋予起始值的变量(参数)为：
Figure BDA0002200266750000055
引入的变量用于辅助求解目标联合设计问题；其中x为系统安全能量效率，yk为优化过程中第k个微基站的总功率，α0m为第m个宏基站用户接收信干噪比下界，φm为第m个宏基站用户遭受干扰的上界，αn为第n个微基站用户接收信干噪比下界，φFn为第n个微基站用户遭受干扰的上界，χ0m为窃听者针对第m个宏基站用户下行通信的窃听速率上界，
Figure BDA0002200266750000056
为宏基站的窃听者遭受的干扰下界，χn为窃听第n个微基站用户下行通信的窃听者窃听速率上界，
Figure BDA0002200266750000069
为微基站的窃听者遭受的干扰下界，4M+5N+2为变量的总个数，j为变量的序号。
步骤S103.2：所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，宏基站根据宏基站天线数NM、每个微基站配备天线数NF、宏基站发送功率限制PM、每个微基站发送功率限制PF、协作微基站数目N、宏基站用户数目M、宏小区窃听者配备天线数NE(NE>1)、微小区能量接收者(潜在窃听者)配备天线数NER(NER>1)确定此次迭代最优的下行发送波束成形和人工噪声矢量{Wm,WFn,Z0,Zn},m∈[1,M],n∈[1,N]，其中
Figure BDA0002200266750000061
Figure BDA0002200266750000062
分别为宏基站、微基站的下行发送波束成形和人工噪声矩阵，Wm为宏基站发送给第m个宏基站用户的下行发送波束成形矩阵，Z0为宏基站发送的下行人工噪声矩阵；WFn、Zn分别为第n个微基站的下行发送波束成形矩阵和人工噪声矩阵；进行目标联合设计：
Figure BDA0002200266750000063
Figure BDA0002200266750000064
Tr(WFn)+Tr(Zn)≤PF,n∈[1,N] (2b)
Figure BDA0002200266750000065
Figure BDA0002200266750000066
Wm≥0,WFn≥0,Z0≥0,Zn≥0,m∈[1,M],n∈[1,N] (2e)
Figure BDA0002200266750000067
Figure BDA0002200266750000068
Figure BDA0002200266750000071
Figure BDA0002200266750000072
Figure BDA0002200266750000073
Figure BDA0002200266750000074
Figure BDA0002200266750000075
Figure BDA0002200266750000076
Figure BDA0002200266750000077
Figure BDA0002200266750000078
Figure BDA0002200266750000079
Figure BDA00022002667500000710
Figure BDA0002200266750000081
Figure BDA0002200266750000082
Figure BDA0002200266750000083
Figure BDA0002200266750000084
Figure BDA0002200266750000085
Figure BDA0002200266750000086
Figure BDA0002200266750000087
Figure BDA0002200266750000088
Figure BDA0002200266750000089
其中，式(2a)～(2d)为宏基站、微基站的发送功率约束，式(2f)～(2h)，式(2i)～(2k)，式(2l)～(2o)和式(2p)～(2t)分别为对宏小区用户、宏小区窃听者、微小区信息接收用户及微小区能量接收用户(微小区窃听者)的接收信干噪比约束及能量接收约束；
Figure BDA00022002667500000810
表示功率转换系数；Pε表示硬件功率损耗；
Figure BDA00022002667500000811
表示除第m个宏基站用户的下行波束成形矢量外，其余宏基站用户发送的下行波束成形矢量与人工噪声矢量的和；
Figure BDA00022002667500000812
分别为宏基站至第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区信息接收及能量接收用户的信道估计矢量，
Figure BDA00022002667500000813
分别为第n个微基站对第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区内信息接收用户及能量接收用户、其他微小区内的信息接收用户及能量接收用户的信道矢量，且
Figure BDA00022002667500000814
Figure BDA0002200266750000091
am表示第m个宏基站用户的下行通信速率下界，β0表示m个宏基站用户的下行通信速率和下界；
Figure BDA0002200266750000092
为引入的紧缩迭代函数，
Figure BDA0002200266750000093
表示第q-1次迭代第n个微基站的紧缩系数；
Figure BDA0002200266750000094
Dt为针对第t个微基站用户的下行波束成形及人工噪声矢量和与单位矩阵的克罗克内积；
Figure BDA0002200266750000095
F为宏基站发送的下行波束成形和人工噪声矢量与单位矩阵的克罗克内积；
Figure BDA0002200266750000096
Figure BDA0002200266750000097
Figure BDA0002200266750000098
Figure BDA0002200266750000099
Figure BDA00022002667500000910
Figure BDA00022002667500000911
Figure BDA00022002667500000912
eFERn、em、en,m、eMm、eE2m、en,E、eEm、eFn、etFn、eFFn、eERn、etERn及eMERn分别对应式(2f)～式(2t)中相应的引约束形式变换产生的余项表达式；λ、ε分别为引入的辅助变量及对应的信道误差矢量的范数界；s2表示各节点处高斯白噪声功率方差；I为单位矩阵，如
Figure BDA00022002667500000913
表示NM×NM阶单位矩阵；ξtFn、ξMFn分别为其他微基站、宏基站对第n个微小区信息接收用户的总干扰，ξMERn、ξtERn分别表示宏基站、其他微基站对第n个微小区能量接收用户的总干扰、ξn,m为第n个微基站对第m个宏基站用户的总干扰。
步骤S103.3：求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值：
(a)求解目标联合设计问题，获取目标联合设计问题中需要更新参数的最优解
Figure BDA0002200266750000101
(b)更新下一次迭代起始可行点
Figure BDA0002200266750000102
(c)q＝q+1；
(d)迭代收敛或达到最大迭代次数Qmax，输出最优的下行波束成形和人工噪声矩阵和最优的安全能量效率目标值。
具体地，所述步骤S104包括：
步骤S104.1：将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
步骤S104.2：宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
而正是由于上述方案，使得：
1、本发明将异构网络与无线携能通信技术结合，基于基站协作，将波束成形与人工噪声技术结合，从而保障通信的安全性和可靠性；
2、本发明基于对网络中获取的信道状态信息不准确情形，提出一种可以抵抗信道误差的鲁棒安全传输方法，具有很好的鲁棒性；
3、本发明基于对窃听者装备多天线的假设，具有很强的适应性和实用性。
实施例二
如图3所示，一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置，包括：
信息采集模块201，用于网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
第一信息传递模块202，用于微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
目标联合设计模块203，用于宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
第二信息传递模块204，用于宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
第三信息传递模块205，用于微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
具体地，所述目标联合设计模块203包括：
参数设定模块2031，用于设定起始迭代计数、最大迭代次数及起始可行解参数；
目标联合设计子模块2032，用于所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，及宏基站天线数、每个微基站配备天线数、宏基站发送功率限制、每个微基站发送功率限制、协作微基站数目、宏基站用户数目、宏小区窃听者配备天线数、微小区能量接收者配备天线数进行目标联合设计；
最优求解模块2033，用于求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值。
具体地，所述第二信息传递模块204包括：
区分子模块2041，用于将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
矢量分发子模块2042，用于宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
以上所示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 (5)

1.一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，其特征在于，包括：
步骤1：网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
步骤2：微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
步骤3：宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
所述步骤3包括：
步骤3.1：设定起始迭代计数q＝0、最大迭代次数Qmax及起始可行解参数
Figure FDA0003957251210000011
其中x为系统安全能量效率，yk为优化过程中第k个微基站的总功率，α0m为第m个宏基站用户接收信干噪比下界，φm为第m个宏基站用户遭受干扰的上界，αn为第n个微基站用户接收信干噪比下界，φFn为第n个微基站用户遭受干扰的上界，χ0m为窃听者针对第m个宏基站用户下行通信的窃听速率上界，
Figure FDA0003957251210000013
为宏基站的窃听者遭受的干扰下界，χn为窃听第n个微基站用户下行通信的窃听者窃听速率上界，
Figure FDA0003957251210000014
为微基站的窃听者遭受的干扰下界，4M+5N+2为变量的总个数，j为变量的序号；
步骤3.2：所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，宏基站根据宏基站天线数NM、每个微基站配备天线数NF、宏基站发送功率限制PM、每个微基站发送功率限制PF、协作微基站数目N、宏基站用户数目M、宏小区窃听者配备天线数NE、微小区能量接收者配备天线数NER确定此次迭代最优的下行发送波束成形和人工噪声矢量{Wm,WFn,Z0,Zn},m∈[1,M],n∈[1,N]，其中
Figure FDA0003957251210000012
分别为宏基站、微基站的下行发送波束成形和人工噪声矩阵，Wm为宏基站发送给第m个宏基站用户的下行发送波束成形矩阵，Z0为宏基站发送的下行人工噪声矩阵；WFn、Zn分别为第n个微基站的下行发送波束成形矩阵和人工噪声矩阵；进行目标联合设计：
Figure FDA0003957251210000021
Figure FDA0003957251210000022
Tr(WFn)+Tr(Zn)≤PF,n∈[1,N] (2b)
Figure FDA0003957251210000023
Figure FDA00039572512100000211
Wm≥0,WFn≥0,Z0≥0,Zn≥0,m∈[1,M],n∈[1,N] (2e)
Figure FDA0003957251210000024
Figure FDA0003957251210000025
Figure FDA0003957251210000026
Figure FDA0003957251210000027
Figure FDA0003957251210000028
Figure FDA0003957251210000029
Figure FDA00039572512100000210
Figure FDA0003957251210000031
Figure FDA0003957251210000032
Figure FDA0003957251210000033
Figure FDA0003957251210000034
Figure FDA0003957251210000035
Figure FDA0003957251210000036
Figure FDA0003957251210000037
Figure FDA0003957251210000038
Figure FDA0003957251210000039
Figure FDA00039572512100000310
Figure FDA00039572512100000311
Figure FDA00039572512100000312
Figure FDA00039572512100000313
Figure FDA0003957251210000041
其中，式(2a)～(2d)为宏基站、微基站的发送功率约束，式(2f)～(2h)，式(2i)～(2k)，式(2l)～(2o)和式(2p)～(2t)分别为对宏小区用户、宏小区窃听者、微小区信息接收用户及微小区能量接收用户的接收信干噪比约束及能量接收约束；
Figure FDA00039572512100000417
表示功率转换系数；Pε表示硬件功率损耗；
Figure FDA0003957251210000042
表示除第m个宏基站用户的下行波束成形矢量外，其余宏基站用户发送的下行波束成形矢量与人工噪声矢量的和；
Figure FDA0003957251210000043
分别为宏基站至第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区信息接收及能量接收用户的信道估计矢量，
Figure FDA0003957251210000044
Figure FDA0003957251210000045
分别为第n个微基站对第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区内信息接收用户及能量接收用户、其他微小区内的信息接收用户及能量接收用户的信道矢量，且
Figure FDA0003957251210000046
Figure FDA0003957251210000047
am表示第m个宏基站用户的下行通信速率下界，β0表示m个宏基站用户的下行通信速率和下界；
Figure FDA0003957251210000048
为引入的紧缩迭代函数，
Figure FDA0003957251210000049
表示第q-1次迭代第n个微基站的紧缩系数；
Figure FDA00039572512100000410
Dt为针对第t个微基站用户的下行波束成形及人工噪声矢量和与单位矩阵的克罗克内积；
Figure FDA00039572512100000411
F为宏基站发送的下行波束成形和人工噪声矢量与单位矩阵的克罗克内积；
Figure FDA00039572512100000412
Figure FDA00039572512100000413
Figure FDA00039572512100000414
Figure FDA00039572512100000415
Figure FDA00039572512100000416
Figure FDA0003957251210000051
Figure FDA0003957251210000052
eFERn、em、en,m、eMm、eE2m、en,E、eEm、eFn、etFn、eFFn、eERn、etERn及eMERn分别对应式(2f)～式(2t)中相应的引约束形式变换产生的余项表达式；λ、ε分别为引入的辅助变量及对应的信道误差矢量的范数界；σ2表示各节点处高斯白噪声功率方差；I为单位矩阵，如
Figure FDA0003957251210000055
表示NM×NM阶单位矩阵；ξtFn、ξMFn分别为其他微基站、宏基站对第n个微小区信息接收用户的总干扰，ξMERn、ξtERn分别表示宏基站、其他微基站对第n个微小区能量接收用户的总干扰、ξn,m为第n个微基站对第m个宏基站用户的总干扰；
步骤3.3：求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值，包括：
求解目标联合设计问题，获取目标联合设计问题中需要更新参数的最优解
Figure FDA0003957251210000053
更新下一次迭代起始可行点
Figure FDA0003957251210000054
q×q+1；
迭代收敛或达到最大迭代次数Qmax，输出最优的下行波束成形和人工噪声矩阵和最优的安全能量效率目标值；
步骤4：宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
步骤5：微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
2.根据权利要求1所述的异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，其特征在于，所述信道状态信息为信道矢量；所述信道误差信息为信道误差矢量，且位于一个确定的范数界。
3.根据权利要求1所述的异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
步骤4.2：宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
4.一种异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置，其特征在于，包括：
信息采集模块，用于网络中的每个基站获取其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，所述基站包括宏基站及微基站；
第一信息传递模块，用于微基站将获取的覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息通过X2接口发送给宏基站；
目标联合设计模块，用于宏基站基于其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，以及各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，以整个网络的安全能量效率最大化为目标联合设计宏基站和微基站最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵；
所述目标联合设计模块具体用于：
设定起始迭代计数q×0、最大迭代次数Qmax及起始可行解参数
Figure FDA0003957251210000061
其中x为系统安全能量效率，yk为优化过程中第k个微基站的总功率，α0m为第m个宏基站用户接收信干噪比下界，φm为第m个宏基站用户遭受干扰的上界，αn为第n个微基站用户接收信干噪比下界，φFn为第n个微基站用户遭受干扰的上界，χ0m为窃听者针对第m个宏基站用户下行通信的窃听速率上界，
Figure FDA0003957251210000062
为宏基站的窃听者遭受的干扰下界，χn为窃听第n个微基站用户下行通信的窃听者窃听速率上界，
Figure FDA0003957251210000063
为微基站的窃听者遭受的干扰下界，4M+5N+2为变量的总个数，j为变量的序号；
所述宏基站通过起始可行解参数及其覆盖区域内服务用户的信道状态信息及信道误差信息，各微基站发送的信道状态信息及信道误差信息，宏基站根据宏基站天线数NM、每个微基站配备天线数NF、宏基站发送功率限制PM、每个微基站发送功率限制PF、协作微基站数目N、宏基站用户数目M、宏小区窃听者配备天线数NE、微小区能量接收者配备天线数NER确定此次迭代最优的下行发送波束成形和人工噪声矢量{Wm,WFn,Z0,Zn},m∈[1,M],n∈[1,N]，其中
Figure FDA0003957251210000071
分别为宏基站、微基站的下行发送波束成形和人工噪声矩阵，Wm为宏基站发送给第m个宏基站用户的下行发送波束成形矩阵，Z0为宏基站发送的下行人工噪声矩阵；WFn、Zn分别为第n个微基站的下行发送波束成形矩阵和人工噪声矩阵；进行目标联合设计：
Figure FDA0003957251210000072
Figure FDA0003957251210000073
Tr(WFn)+Tr(Zn)≤PF,n∈[1,N] (2b)
Figure FDA0003957251210000074
Figure FDA00039572512100000711
Wm≥0,WFn≥0,Z0≥0,Zn≥0,m∈[1,M],n∈[1,N] (2e)
Figure FDA0003957251210000075
Figure FDA0003957251210000076
Figure FDA0003957251210000077
Figure FDA0003957251210000078
Figure FDA0003957251210000079
Figure FDA00039572512100000710
Figure FDA0003957251210000081
Figure FDA0003957251210000082
Figure FDA0003957251210000083
Figure FDA0003957251210000084
Figure FDA0003957251210000085
Figure FDA0003957251210000086
Figure FDA0003957251210000087
Figure FDA0003957251210000088
Figure FDA0003957251210000089
Figure FDA00039572512100000810
Figure FDA00039572512100000811
Figure FDA00039572512100000812
Figure FDA00039572512100000813
Figure FDA0003957251210000091
Figure FDA0003957251210000092
其中，式(2a)～(2d)为宏基站、微基站的发送功率约束，式(2f)～(2h)，式(2i)～(2k)，式(2l)～(2o)和式(2p)～(2t)分别为对宏小区用户、宏小区窃听者、微小区信息接收用户及微小区能量接收用户的接收信干噪比约束及能量接收约束；
Figure FDA0003957251210000093
表示功率转换系数；Pε表示硬件功率损耗；
Figure FDA0003957251210000094
表示除第m个宏基站用户的下行波束成形矢量外，其余宏基站用户发送的下行波束成形矢量与人工噪声矢量的和；
Figure FDA0003957251210000095
分别为宏基站至第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区信息接收及能量接收用户的信道估计矢量，
Figure FDA0003957251210000096
Figure FDA0003957251210000097
分别为第n个微基站对第m个宏小区用户、宏小区窃听者、第n个微小区内信息接收用户及能量接收用户、其他微小区内的信息接收用户及能量接收用户的信道矢量，且
Figure FDA0003957251210000098
Figure FDA0003957251210000099
am表示第m个宏基站用户的下行通信速率下界，β0表示m个宏基站用户的下行通信速率和下界；
Figure FDA00039572512100000910
为引入的紧缩迭代函数，
Figure FDA00039572512100000911
表示第q-1次迭代第n个微基站的紧缩系数；
Figure FDA00039572512100000912
Dt为针对第t个微基站用户的下行波束成形及人工噪声矢量和与单位矩阵的克罗克内积；
Figure FDA00039572512100000913
F为宏基站发送的下行波束成形和人工噪声矢量与单位矩阵的克罗克内积；
Figure FDA00039572512100000914
Figure FDA00039572512100000915
Figure FDA00039572512100000916
Figure FDA0003957251210000101
Figure FDA0003957251210000102
Figure FDA0003957251210000103
Figure FDA0003957251210000104
eFERn、em、en,m、eMm、eE2m、en,E、eEm、eFn、etFn、eFFn、eERn、etERn及eMERn分别对应式(2f)～式(2t)中相应的引约束形式变换产生的余项表达式；λ、ε分别为引入的辅助变量及对应的信道误差矢量的范数界；σ2表示各节点处高斯白噪声功率方差；I为单位矩阵，如
Figure FDA0003957251210000105
表示NM×NM阶单位矩阵；ξtFn、ξMFn分别为其他微基站、宏基站对第n个微小区信息接收用户的总干扰，ξMERn、ξtERn分别表示宏基站、其他微基站对第n个微小区能量接收用户的总干扰、ξn,m为第n个微基站对第m个宏基站用户的总干扰；
求解目标联合设计问题，得出最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵及对应最优的安全能量效率目标值，包括：
求解目标联合设计问题，获取目标联合设计问题中需要更新参数的最优解
Figure FDA0003957251210000106
更新下一次迭代起始可行点
Figure FDA0003957251210000107
q＝q+1；
迭代收敛或达到最大迭代次数Qmax，输出最优的下行波束成形和人工噪声矩阵和最优的安全能量效率目标值；
第二信息传递模块，用于宏基站将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵通过X2接口发送给微基站；
第三信息传递模块，用于微基站根据获得的最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵进行下行信号的发送。
5.根据权利要求4所述的异构携能通信网络中鲁棒的物理层安全传输装置，其特征在于，所述第二信息传递模块包括：
区分子模块，用于将最优的下行发送波束成形和人工噪声矩阵中的最优下行波束成形设计矢量进行区分；
矢量分发子模块，用于宏基站将所述最优下行波束成形设计矢量通过X2接口分发给对应的微基站。
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