CN111542110A - 面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，包括以下过程：计算获得每个用户到基站的主信道容量；选择主信道容量最大对应的用户发送信号，其余用户联合发送人工噪声；分别计算主信道容量和窃听信道容量，并根据主信道容量和窃听信道容量计算得出系统安全容量；对信号和噪声之间的功率分配进行优化以获得最大的系统安全容量。本发明在总功率一定的条件下，通过优化分配信号用户终端、人工噪声用户终端之间的功率资源，最大化信道的安全容量。

Description

面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，用户在通信过程中对安全性能提出了更高的要求。传统的加密方法通常是应用在网络层和网络层以上，并且这些加密手段是以庞大的计算量为基础。但是，随着计算机运算能力的快速提升，传统的机密方法不能保证信息传输的绝对安全，这激发了广大研究工作者开始寻求利用物理层信道特征来进行数据信息加密。物理层作为开放式系统互联网模型中的最底层，其安全是整个系统安全的基础。随后，Wyner证明了再安全容量(即主信道容量个窃听信道容量之差)大于零的条件下，可以实现完美的保密通信。目前，考虑较多的是存在窃听节点的场景下，选择一个用户发送数据信息，再从终端用户中选择一个用户发送人工噪声来提高安全容量，改善安全性能。但在具体应用时会有以下一些不足：首先，在实际场景中，仅靠一个用户对抗窃听，并不能很好地提高安全性能，同时其他未工作的用户也会造成资源的浪费；其次，通过信号用户和人工噪声用户之间的功率优化，可以合理分配功率资源，最大化信道的安全容量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，通过优化分配信号用户终端、人工噪声用户终端之间的功率资源，在总功率一定的条件下，最大化信道的安全容量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，包括以下过程：

计算获得每个用户终端的主信道容量；

选择主信道容量最大对应的用户终端发送有用信号，其余用户终端联合发送人工噪声；

分别计算主信道容量和窃听信道容量，并根据主信道容量和窃听信道容量计算得到信道安全容量；

对有用信号和人工噪声之间的功率进行优化以获得信道安全容量最大化。

进一步的，首先选择发送有用信号的用户：

选择发送有用信号用户o的准则：

其中U为所有用户的集合，m为所选择的用户，h_md为用户m到基站d的瞬时信道增益系数。

进一步的，其余用户联合发送人工噪声：

其余M-1个用户终端联合发送噪声矢量z＝[z₁,z₂,…,z_M-1]^T,z₁,z₂,…,z_M-1代表噪声矢量Z的分量；

设计z为在h_d的零空间的归一化向量，以使z不影响基站d对有用信号的接收，即：

其中h_d＝[h_j1d,h_j2d,…,h_j(M-1)d]^H,h_jid为用户终端ji到基站d之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

进一步的，计算主信道容量和窃听信道容量，包括：

主信道容量为：

其中，h_od为用户o到基站d之间的瞬时信道增益系数，P为M个用户的总发送功率，λ为给有用信号用户的功率分配因子(0≤λ≤1)，N₀为基站处的噪声功率，

为信号噪声功率比；

窃听信道容量为：

其中，h_oe为用户终端o到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，h_e＝[h_j1e,h_j2e,…,h_j(M-1)e]^H,h_jie为用户ji到窃听节点之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

进一步的，根据主信道容量和窃听信道容量计算得出信道安全容量包括：

计算出主信道容量和窃听信道容量后，可得信道传输的安全容量为：

进一步的，所述对有用信号和人工噪声之间的功率分配进行优化以获得信道安全容量最大化包括：

优化问题为：对优化信号和人工噪声之间的功率分配因子λ进行优化，使信道传输的安全容量最大化；

考虑到很多场景下窃听信道的信道状态信息未知，用窃听信道的统计信道容量E[C_oe]替代瞬时信道容量C_oe，优化问题转化为：

由于log₂(x)是x的凹函数，根据Jensen不等式，有：

令E[|h_oe|]²＝δ₁,E[|h_ie|]²＝δ₂,

由于各用户到基站间信道具有独立性，有

当λ_e的方差很小时，

近似于

因此，转化为优化功率分配因子λ的下界：

s.t 0≤λ≤1

令μ₁＝γ|h_od|²,μ₂＝γδ₁,μ₃＝γδ₂,将优化问题简写为:

s.t 0≤λ≤1

对λ求偏导数并使其等于零，得到最优解的计算结果，该最优解表达式为：

以上优化过程得出的结果是建立在0≤λ≤1的约束条件下，若计算出的λ值超出该范围，则需要与边界值对比，即：

最终得到信道传输的最大安全容量为:

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明在总功率一定的条件下，通过优化分配数据用户终端、人工噪声用户终端之间的功率资源，提高了信道传输的安全容量，并且选择使主信道容量最大的终端用户发送信号，其他终端用户联合发送人工噪声，能够有效地对抗窃听节点，提高信道传输的安全性。

附图说明

图1为本发明方法的架构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明实施例的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，参见图2所示，包括以下过程：

第一步，对每个用户到基站，进行信道容量计算处理，获取每个用户的主信道容量。

从M个用户终端中选择一个用户终端m发送信号，该用户终端m到基站d间主信道容量为：

其中P为M个用户终端的总发射功率，λ为给信号用户的功率分配因子(0≤λ≤1)，h_md为用户终端m到基站d之间的瞬时信道增益系数，下标md表示主信道，N₀为基站处的噪声功率，γ为信号噪声功率比。

第二步，选择最大主信道容量对应的用户终端发送有用信号，其余用户终端联合发送人工噪声。选择主信道容量最大值的目的是为了得到更大的安全容量。

为了使得主信道容量最大，发送有用信号的用户终端为：

其中，o表示最佳用户，m表示发送信号的用户终端，U表示用户终端集合，C_md表示用户终端m到基站d的信道容量，h_md表示用户m到基站d的瞬时信道增益系数。

其余M-1个用户终端联合发送噪声矢量z＝[z₁,z₂,…,z_M-1]^T,z₁,z₂,…,z_M-1代表噪声矢量Z的分量；

设计z为在h_d的零空间的归一化向量，以使z不影响基站d对有用信号的接收，即：

其中h_d＝[h_j1d,h_j2d,…,h_j(M-1)d]^H,h_jid为用户终端ji到基站d之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

若只有一个用户，则分配给人工噪声的功率为0。

基站接收信号y_d为：

其中，s表示发送信号，P为M个用户终端的总发射功率，λ为给信号用户的功率分配因子(0≤λ≤1)，h_od为用户终端o到基站d之间的瞬时信道增益系数，h_id为用户终端i到基站d之间的瞬时信道增益系数，z_i表示噪声矢量的第i个分量，n_d为基站处的高斯噪声。

第三步，分别计算主信道容量和窃听信道容量，得出无线信道传输的安全容量。

基站接收信号变为：

主信道容量为：

窃听节点接收信号为：

其中，h_oe为用户终端o到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，n_e为窃听节点处的高斯噪声。h_ie表示用户i到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

窃听信道容量为：

其中，h_e＝[h_j1e,h_j2e,…,h_j(M-1)e]^H,h_jie为用户ji到窃听节点之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

推导出主信道容量和窃听信道容量后，可得信道传输的安全容量为：

其中，C_od表示主信道容量，C_oe表示窃听信道容量。

第四步，对有用信号和人工噪声之间的功率进行优化处理，以获得信道安全容量最大化。

优化问题为：对有用信号和人工噪声之间的功率分配因子λ进行优化，使信道传输的安全容量最大化。

考虑到很多场景下窃听信道的信道状态信息未知，用窃听信道的统计信道容量E[C_oe]替代瞬时信道容量C_oe，优化问题转化为：

由于log₂(x)是x的凹函数，根据Jensen不等式，有：

令E[|h_oe|]²＝δ₁,E[|h_ie|]²＝δ₂,

由于各用户到基站间信道具有独立性，有

当λ_e的方差很小时，

近似于

因此，转化为优化功率分配因子λ的下界：

s.t 0≤λ≤1

令μ₁＝γ|h_od|²,μ₂＝γδ₁,μ₃＝γδ₂,将优化问题简写为:

s.t 0≤λ≤1

对λ求偏导数并使其等于零，得到最优解的计算结果，该最优解表达式为：

以上优化过程得出的结果是建立在0≤λ≤1的约束条件下，若计算出的λ值超出该范围，则需要与边界值对比，即：

最终得到信道传输的最大安全容量为:

选择使主信道容量最大的终端用户发送信号，其他用户联合发送人工噪声，选择最优分配方案进行信号和噪声之间的功率分配。

实施例

本发明实施例的系统模型如图1所示，包含4个无线用户终端，1个基站，1个窃听节点，选取使主信道容量最大的用户发送信号，在基站接收发送信号时，存在窃听节点窃听该信号，其余用户联合发送人工噪声，干扰窃听节点的窃听过程。

从4个用户终端中选择一个用户m发送信号，该用户到基站间主信道容量为：

其中,P为4个用户终端的总发射功率，λ为给信号用户的功率分配因子(0≤λ≤1)，h_md为终端用户m到基站之间的瞬时信道增益系数，下标md表示主信道，N₀为基站处的噪声功率，γ为信号噪声功率比。

为了使得主信道容量最大，信号终端用户为：

其余3个用户终端联合发送人工噪声矢量z＝[z₁,z₂,z₃]^T,定义h_d＝[h_j1d,h_j2d,h_j3d]^H,h_e＝[h_j1e,h_j2e,h_j3e]^H,h_id为终端用户i到基站d之间的瞬时信道增益系数，h_jie为终端用户ji到基站d之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,j3且i≠o。

基站接收信号为：

其中，h_od为终端用户o到基站d之间的瞬时信道增益系数，n_d为基站处的高斯噪声。

考虑到人工噪声z不应该影响基站，z应该设计在h_d的零空间：

基站接收信号为：

主信道容量为：

窃听节点接收信号为:

其中，h_oe为终端用户o到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，n_e为窃听节点处的高斯噪声。

窃听信道容量为：

推导出主信道容量和窃听信道容量后，可得信道传输的安全容量为：

其中，C_od表示主信道容量，C_oe表示窃听信道容量。

对有用信号和人工噪声之间的功率分配因子λ进行优化以获得系统安全容量最大化：

考虑到很多场景下窃听信道的信道状态信息未知，用窃听信道的统计信道容量E[C_oe]替代瞬时信道容量C_oe，优化问题转化为：

由于log₂(x)是x的凹函数，根据Jensen不等式，有：

令E[|h_oe|]²＝δ₁,E[|h_ie|]²＝δ₂,

由于各用户到基站间信道具有独立性，有

当λ_e的方差很小时，

近似于

因此，转化为优化功率分配因子λ的下界：

s.t 0≤λ≤1

令μ₁＝γ|h_od|²,μ₂＝γδ₁,μ₃＝γδ₂,将优化问题简写为:

s.t 0≤λ≤1

对λ求偏导数并使其等于零，得到最优解的计算结果，该最优解表达式为：

以上优化过程得出的结果是建立在0≤λ≤1的约束条件下，若计算出的λ值超出该范围，则需要与边界值对比，即：

最终得到信道传输的最大安全容量为:

选择使主信道容量最大的终端用户发送信号，其他用户联合发送人工噪声，选择最优分配方案进行信号和人工噪声之间的功率分配。

下面给出在计算机利用MATLAB语言仿真实现本发明的一个实例，在仿真中设定所有的无线信道独立同分布且是瑞利衰落的，h_id为用户i到基站d之间的瞬时信道增益系数，h_ie表示用户i到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。|h_id|²,|h_ie|²分别服从均值为

的指数分布，

为常量，是表示均值的符号。基站和窃听节点处的噪声都是均值为0，方差为N₀的平稳高斯白噪声。变量SNR(SNR＝P/N₀)表示信号噪声功率比，单位是dB，从-10开始，步进为0.5，到10结束。

图3为所提出的功率分配方法下安全容量与传统平均功率分配方法下安全容量的仿真对比图，可以看出，应用本发明的设计方法对应的安全容量明显高于现有方法的应用。

以上所述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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，包括以下过程：

计算获得每个用户终端的主信道容量；

选择主信道容量最大对应的用户终端发送有用信号，其余用户终端联合发送人工噪声；

分别计算主信道容量和窃听信道容量，并根据主信道容量和窃听信道容量计算得到系统安全容量；

对有用信号和人工噪声之间的功率分配进行优化以获得系统安全容量最大化。

2.根据权利要求1所述的面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，所述选择主信道容量最大对应的用户终端，包括：

选择主信道容量最大对应的用户终端o的准则：

其中U为所有用户的集合，m为所选择的用户，h_md为用户m到基站d的瞬时信道增益系数。

3.根据权利要求1所述的面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，所述其余用户终端联合发送人工噪声，包括：

其余M-1个用户终端联合发送噪声矢量z＝[z₁,z₂,…,z_M-1]^T,z₁,z₂,…,z_M-1代表噪声矢量Z的分量；

设计z为在h_d的零空间的归一化向量，以使z不影响基站d对有用信号的接收，即：

其中，h_d＝[h_j1d,h_j2d,…,h_j(M-1)d]^H,h_jid为用户终端ji到基站d之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

4.根据权利要求1所述的面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，所述分别计算主信道容量和窃听信道容量包括：

主信道容量为：

其中，h_od为用户o到基站d之间的瞬时信道增益系数，P为M个用户的总发送功率，λ为给有用信号用户的功率分配因子，N₀为基站处的噪声功率，

为信号噪声功率比；

窃听信道容量为：

其中，h_oe为用户终端o到窃听节点e之间的瞬时信道增益系数，h_e＝[h_j1e,h_j2e,…,h_j(M-1)e]^H,h_jie为用户ji到窃听节点之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o。

5.根据权利要求4所述的面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，根据主信道容量和窃听信道容量计算得出信道安全容量包括：

计算出主信道容量和窃听信道容量后，可得信道传输的安全容量为：

其中，C_od表示主信道容量，C_oe表示窃听信道容量。

6.根据权利要求1所述的面向多用户物理层安全通信的用户调度与功率分配优化方法，其特征是，所述对有用信号和人工噪声之间的功率分配进行优化以获得系统安全容量最大化，包括：

有用信号和人工噪声之间的功率分配因子λ，系统安全容量最大化表达式为：

考虑到很多场景下窃听信道的信道状态信息未知，用窃听信道的统计信道容量E[C_oe]替代瞬时信道容量C_oe，优化问题转化为：

由于log₂(x)是x的凹函数，根据Jensen不等式，有：

令E[|h_oe|]²＝δ₁,E[|h_ie|]²＝δ₂,

其中h_ie表示用户i到窃听节点之间的瞬时信道增益系数，i＝j1,j2,…,j(M-1)且i≠o；

由于各用户到基站间信道具有独立性，因此有：

当λ_e的方差很小时，

近似于

因此，优化问题转化为优化功率分配因子λ的下界：

s.t 0≤λ≤1

令μ₁＝γ|h_od|²,μ₂＝γδ₁,μ₃＝γδ₂,将优化问题简写为:

s.t 0≤λ≤1

对λ求偏导数并使其等于零，得到最优解的计算结果，该最优解表达式为：

以上优化过程得出的结果是建立在0≤λ≤1的约束条件下，若计算出的λ值超出该范围，则需要与边界值对比，即：

最终得到信道传输的最大安全容量为：

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