CN111866862A - 时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法及系统 - Google Patents

时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法及系统 Download PDF

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CN111866862A CN202010522748.3A CN202010522748A CN111866862A CN 111866862 A CN111866862 A CN 111866862A CN 202010522748 A CN202010522748 A CN 202010522748A CN 111866862 A CN111866862 A CN 111866862A
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张建军
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Abstract

本发明公开了一种时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法及系统，该方法包括：非中心处理基站获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息；所述中心处理基站建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中所述联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束，并对所述下行信息波束及所述AN矢量进行区分，通过所述基站间链路下发给相应的所述非中心处理基站；所述非中心处理基站根据接收的所述下行信息波束及所述AN矢量，对本站的所述服务用户传输下行信息。本发明提升合法用户接收性能，保证异构网络下行通信可靠性和安全性；考虑了CSIs误差带来的影响，具有很好的鲁棒性。

Description

时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法及系统。
背景技术
3GPP、ITU-R等国际标准化组织指出，为实现未来海量移动设备的无线接入以及大容量的无线流量传输需求，一种直接高效的方法是通过在传统宏蜂窝基站(MacrocellBase Station,MBS)的覆盖范围内合理地叠加部署低功率的小蜂窝组成异构网络(Hetergeneous Networks,HeNets)。然而，与传统网络相比，异构网络更加开放的网络架构、包含的节点类型和数目更多，为窃听者进行窃听提供了便利条件，加剧了私密信息泄露的风险。
近年来出现的物理层安全传输(Physical layer security,PLS)技术利用无线信道的物理特性解决通信安全问题，为保障异构网络安全带来了新思路。需要注意的是，信道状态信息(Channel state information,CSI)质量对于物理层安全传输技术的实施效能有着不可忽略的影响。不幸地是，由于异构网络中站点重叠覆盖、密集部署以及存在的复杂层间干扰等因素的影响，使得信道估计、时延以及量化等误差在其中出现的概率大大增加。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，能够提升合法用户接收性能，保证异构网络下行通信可靠性。
本发明还提出一种用于执行上述时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统。
根据本发明的第一方面实施例的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，包括：非中心处理基站获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息，通过基站间链路发送给中心处理基站；所述中心处理基站基于全网的所述信道状态信息及所述信道状态误差信息，建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中所述联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；所述中心处理基站对所述下行信息波束及所述AN矢量进行区分，通过所述基站间链路下发给相应的所述非中心处理基站；所述非中心处理基站根据接收的所述下行信息波束及所述AN矢量，对本站的所述服务用户传输下行信息。
根据本发明实施例的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，至少具有如下有益效果：结合异构网络中站点密集重叠部署特点，利用基站间协作对网络中层间干扰进行调度，同时结合AN技术降低窃听者接收性能，进一步结合波束成形技术，提升合法用户接收性能，从而保证异构网络下行通信可靠性和安全性；考虑了CSIs误差带来的影响，具有很好的鲁棒性；利用安全中断概率来衡量系统安全性，具有很强的适应性和实用性。
根据本发明的一些实施例，所述中心处理基站建立联合设计模型，获得所述下行信息波束及所述AN矢量的方法包括：根据用户的下行最低接收SINR门限要求及系统安全中断概率约束门限，建立所述联合设计模型；根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、所述信道状态误差信息以及网络中基站的总数目和每个基站配备天线数目、用户总数目及每个用户配备的天线数目确定初始可行解参数
Figure BDA0002532658860000021
根据所述联合设计模型，对变量
Figure BDA0002532658860000022
递归迭代，将本次迭代过程中获取的所述变量
Figure BDA0002532658860000023
的最优值作为下一次迭代起始参数，其中，n表示当前的迭代次数，RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，χbk(n)表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界，εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000024
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，ξbm(n)为表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰；根据预设的迭代次数，获取所述下行信息波束成形和所述AN矢量
Figure BDA0002532658860000031
m∈[1,M],k∈[1,K]及相应的系统总发送功率目标值，其中
Figure BDA0002532658860000032
表示递归迭代后MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵、
Figure BDA0002532658860000033
表示递归迭代后FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，
Figure BDA0002532658860000034
表示递归迭代后FBS发送的下行AN矩阵。
根据本发明的一些实施例，所述初始可行解参数
Figure BDA0002532658860000035
为：根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、CSIs误差先验信息以及网络中所有基站的数目和每个基站配备天线数目、所有用户数目及每个用户配备的天线数目，随机选择初始参数
Figure BDA0002532658860000036
若选择的参数可以使得迭代过程进行下去，则所述初始参数为初始可行解参数
Figure BDA0002532658860000037
根据本发明的一些实施例，还包括：根据迭代收敛情况，若所述参数
Figure BDA0002532658860000038
的当前值与所述参数
Figure BDA0002532658860000039
在本次迭代前的值的差值在某一阈值内，停止递归迭代，获取所述下行信息波束成形和所述AN矢量。
根据本发明的一些实施例，所述中心处理基站根据序号及维度对所述下行信息波束及所述AN矢量进行区分。
根据本发明的一些实施例，还包括：根据基站的CPU处理参数，选择处理能力最强的基站作为所述中心处理基站。
根据本发明的一些实施例，所述联合设计模型具体包括：
Figure BDA00025326588600000310
Figure BDA00025326588600000311
Figure BDA0002532658860000041
Figure BDA0002532658860000042
Figure BDA0002532658860000043
Figure BDA0002532658860000044
Figure BDA0002532658860000045
Figure BDA0002532658860000046
Figure BDA0002532658860000047
Figure BDA0002532658860000048
Figure BDA0002532658860000049
Figure BDA00025326588600000410
Figure BDA00025326588600000411
Figure BDA00025326588600000412
Wm≥0,WFk≥0,ZF≥0,m∈[1,M],k∈[1,K]，
αm≥0,βm≥0,αEk≥0,βEk≥0,αFk≥0,βFk≥0,m∈[1,M],k∈[1,K]，
其中，Tr(A)表示对矩阵A取逆，Wm表示MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵，WFk表示FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，ZF为FBS发送的下行AN矩阵；
Figure BDA00025326588600000413
表示MBS至第m个MU的信道状态估计向量、
Figure BDA0002532658860000051
表示FBS至第m个MU的信道状态估计向量，
Figure BDA0002532658860000052
表示至第k个FU的信道状态估计向量、
Figure BDA0002532658860000053
表示FBS至第k个FU的信道状态估计向量；HEb表示MBS至第b个Eve的信道状态协方差矩阵，HF,Eb表示FBS至第b个Eve的信道状态协方差矩阵；εm、εF,Mm、εFk、εM,Fk分别为
Figure BDA0002532658860000054
和
Figure BDA0002532658860000055
的信道状态误差范数界；
Figure BDA0002532658860000056
和
Figure BDA0002532658860000057
分别为
Figure BDA0002532658860000058
和
Figure BDA0002532658860000059
的共轭转置矢量；INM表示NM×NM的单位矩阵；Ek(k∈[1,K])表示第k个FU通过功率分离技术进行能量采集时的能量采集门限；κ表示微基站用户将能量转换系数；ΨFk表示微基站用户的接收信号功率用于信息解码的比例系数；χbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界；φbkt表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收干扰信号的下界；ζbmk表示第b个窃听者对第m个宏基站用户和第k个微基站用户的获取下行信号功率比值的下界；ηbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时遭受的人工噪声干扰信号与获取的第k个微基站用户信号功率比值的下界；
Figure BDA00025326588600000510
表示每个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的安全中断概率下界；Rmin,Sk表示第k个微基站用户遭受窃听时的安全速率门限；RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，
Figure BDA00025326588600000511
表示在第n次迭代时RFk(n)的初始值；
Figure BDA00025326588600000512
表示在第n次迭代时χbk的初始值；σ2表示高斯背景热噪声的功率；WFt表示微基站发送给第t个微基站用户的下行信息波束成形矩阵；εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure BDA00025326588600000513
表示第n次迭代时εbt(n)的初始值；RFk表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界；
Figure BDA00025326588600000514
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，
Figure BDA00025326588600000515
是第n次迭代时
Figure BDA00025326588600000516
的初始值；ξbm(n)表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰，
Figure BDA00025326588600000517
是在第n次迭代时ξbm(n)的初始值；Am、Bm、Cm、AE、BE、CEk、AFk、BF和CFk分别为：
Figure BDA00025326588600000518
Figure BDA0002532658860000061
Figure BDA0002532658860000062
Figure BDA0002532658860000063
Figure BDA0002532658860000064
Figure BDA0002532658860000065
Figure BDA0002532658860000066
Figure BDA0002532658860000067
Figure BDA0002532658860000068
根据本发明的第二方面实施例的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统，包括：信道状态获取模块，用于获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息；信道状态传输模块，用于将本站获取的所述信息状态信息及所述信道状态误差信息传送给中心处理基站；联合设计模块，用于建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中所述联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；矢量区分模块，用于根据维度以及序号对所述信息状态信息及所述信道状态误差信息进行区分；矢量传输模块，用于将区分后的所述信息状态信息及所述信道状态误差信息发送给相应的非中心处理基站。
根据本发明实施例的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统，至少具有如下有益效果：结合异构网络中站点密集重叠部署特点，利用基站间协作对网络中层间干扰进行调度，同时结合AN技术降低窃听者接收性能，进一步结合波束成形技术，提升合法用户接收性能，从而保证异构网络下行通信可靠性和安全性；考虑了CSIs误差带来的影响，具有很好的鲁棒性；利用安全中断概率来衡量系统安全性，具有很强的适应性和实用性。
根据本发明的一些实施例，还包括：中心基站决策模块，用于根据基站的CPU处理参数，选择处理能力最强的基站作为所述中心处理基站。
根据本发明的一些实施例，所述联合设计模块包括：初始参数计算模块，用于根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、所述信道状态误差信息以及网络中基站的总数目和每个基站配备天线数目、用户总数目及每个用户配备的天线数目确定初始可行解参；迭代计算模块,用于根据所述联合设计模型，对变量
Figure BDA0002532658860000071
进行递归迭代，将本次迭代过程中获取的所述变量的最优值作为下一次迭代起始参数，其中，n表示当前的迭代次数，RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，χbk(n)第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界，εbt(n)第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000072
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，ξbm(n)为表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰；迭代控制模块，用于判断所述变量
Figure BDA0002532658860000073
的收敛状态，以及，判断是否已达最大迭代次数。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的方法的步骤示意图；
图2为本发明实施例的系统的模块示意图；
图3为本发明实施例的系统中的联合设计模块的内部模块示意图；
图4为本发明实施例的系统中基站的数据交互示意图；
图5为本发明实施例的双层异构网络物理层安全模型示意图。
附图标记：
信道状态获取模块100，信道状态传输模块200，联合设计模块300，矢量区分模块400，矢量传输模块500，中心基站决策模块600；
初始参数计算模块310，迭代计算模块320，迭代控制模块330。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
名词解释：
MBS，Macrocell base station，宏蜂窝基站，简称宏基站。
FBS，Femtocell base station，微蜂窝基站，简称微基站，FBSs表示多个微蜂窝基站。
MU，Macrocell user，宏基站用户，MUs表示多个宏基站用户。
FU，Femtocell user，微基站用户，FUs表示多个微基站用户。
Eve，Eavesdropper，潜在的系统内部窃听者。
CSI，Channel state information，信道状态信息。
SINR，Signal to Interference and Noise Ratio，最低下行接收信干噪比。
AN，Artifical noise，人工噪声。
参照图5，在双层异构网络物理层安全模型，宏蜂窝基站(Macrocell basestation,MBS)和微蜂窝基站(Femtocell base stations,FBSs)分别向其覆盖范围内的多个宏基站用户(Macrocell users,MUs)和多个微基站用户(Femtocell users,FUs)传输下行私密信息。同时，在FBS的覆盖范围内存在潜在的内部低安全等级用户可能对FUs的下行私密信息进行窃听，因此这类低安全等级用户可以视为潜在的系统内部窃听者(Eavesdropper,Eve)。
本发明实施例的方法中，参照图1，包括以下步骤：非中心处理基站获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息，通过基站间链路发送给中心处理基站；中心处理基站基于全网的信道状态信息及信道状态误差信息，建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中该联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；中心处理基站对下行信息波束及AN矢量进行区分，通过基站间链路下发给相应的非中心处理基站；非中心处理基站根据接收的下行信息波束及AN矢量，对本站的服务用户传输下行信息。
本发明的一些实施例的方法中，具体包括以下步骤：
步骤S100：在异构网络中，每个基站通过信道估计获取本地服务用户以及与本网络中的其他基站覆盖范围内用户之间的CSIs和CSIs信道误差信息。CSIs为信道向量(矩阵)；CSIs信道误差信息为相应的位于某个确定范数界内的信道误差向量(矩阵)；
步骤S200：选择CPU处理参数，如内核数、运算频率等最高基站作为中心处理基站；
步骤S300：非中心处理基站将CSIs和CSIs信道误差先验信息通过基站间链路发送给中心处理基站；
步骤S400：中心处理基站基于全局CSIs，在满足时延敏感异构网络的可靠性和安全性约束的同时，联合设计网络中所有基站的下行信息波束和AN矢量，以最小化系统总发送功率。网络可靠性约束是指应当满足合法用户的最低下行接收信干噪比(Signal toInterference and Noise Ratio,SINR)门限要求；网络安全性约束是指应当满足网络的安全中断概率门限要求；
步骤S500：中心处理基站将联合设计后的下行信息波束和AN矢量进行区分，通过基站间链路分别下发给相应的非中心处理基站；
步骤S600：网络中的每个基站根据获取的最优下行信息波束和AN矢量分别向各自服务的用户传输下行信息。
其中CSIs为信道状态向量(矩阵)；CSIs信道误差信息为位于某个确定范数界的信道状态误差矢量，CSIs及其相应的信道误差信息的关系如下：
Figure BDA0002532658860000101
其中，h、
Figure BDA0002532658860000102
e分别为实际信道状态向量、信道状态估计向量和信道状态误差向量，ε为信道状态误差向量的范数界；在基站侧，
Figure BDA0002532658860000103
和ε均为已知参数。具体地，其中步骤S400包括：
步骤S410：根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、CSIs误差先验信息以及网络中所有基站的数目和每个基站配备天线数目、所有用户数目及每个用户配备的天线数目，随机选择初始参数
Figure BDA0002532658860000104
如果选择的参数可以使得迭代过程进行下去，此时该参数为初始可行解参数
Figure BDA0002532658860000105
步骤S420：设置初始迭代序号n＝0、最大递归迭代次数Nmax及初始可行参数
Figure BDA0002532658860000106
需要赋予初始迭代值的参数为：
Figure BDA0002532658860000107
作为用于辅助求解联合优化设计问题的变量，
其中，RFk(n)为遭受窃听FU的通信速率下界，χbk(n)为Eve的窃听通信速率上界，εbt(n)为Eve进行窃听时其他FUs的下行信号对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000108
为FBS发送的AN矢量对Eve造成的干扰值，ξbm(n)为Eve进行窃听时MUs的下行信号对其造成的干扰，5为变量类别总数，i表示变量类别的序号。
步骤S430：中心处理基站根据初始可行解参数及获得的全局CSI及信道误差信息、MBS天线数NM、每个FBS天线数NF、MUs数量M、FUs数量K、每个MU的下行SINR最低门限γm(m∈[1,M])、每个FU通过功率分离技术进行能量采集时的能量采集门限Ek(k∈[1,K])、遭受窃听用户的安全速率门限Rmin,Sk和安全中断概率门限ρSk∈(0,0.5)确定此次递归迭代最优的下行信息波束和AN矢量
Figure BDA0002532658860000111
m∈[1,M],k∈[1,K]，其中，
Figure BDA0002532658860000112
表示上次递归迭代后获取的最优的MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵、
Figure BDA0002532658860000113
表示上次递归迭代后获取的FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，
Figure BDA0002532658860000114
表示上次递归迭代后获取的FBS发送的下行AN矩阵；在第n次递归迭代估计中，进行联合优化设计：
Figure BDA0002532658860000115
公式(2-1)中，Tr()表示XXX函数，其中Wm表示MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵，WFk表示FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，ZF为FBS发送的下行AN矩阵。公式(2-1)的目的在于求出宏基站和微基站用于满足系统各项约束的情形下所需的最小发送功率。
以下公式(2-2)至公式(2-X)均为公式(2-1)的约束条件。
Figure BDA0002532658860000116
公式(2-2)中，αm、βm分别表示与Am、Bm相关的用于求解问题(2-1)的辅助变量，
Figure BDA0002532658860000117
表示NM×NM的单位矩阵；
Figure BDA0002532658860000118
表示MBS至第m个MU的信道状态估计向量，
Figure BDA0002532658860000119
表示FBS至第m个MU的信道状态估计向量，εF,Mm表示
Figure BDA00025326588600001110
对应的信道状态误差向量的范数界，
Figure BDA00025326588600001111
表示NM×NF全零的子矩阵(NM行NF列全零子矩阵)，
Figure BDA00025326588600001112
表示NF×NM全零的子矩阵，Am、Bm、Cm为等效替代变量：
Figure BDA00025326588600001113
Figure BDA0002532658860000121
Figure BDA0002532658860000122
γm(m∈[1,M])表示第m个MU的下行SINR最低门限，
Figure BDA0002532658860000123
表示宏基站发送给除第m个宏基站用户以外的所有用户的下行信息波束成形矩阵之和，
Figure BDA0002532658860000124
表示宏基站至第k个微基站用户的信息状态信息估计向量，
Figure BDA0002532658860000125
表示微基站至第k个微基站用户的信息状态信息估计向量，
Figure BDA0002532658860000126
分别表示
Figure BDA0002532658860000127
的共轭转置向量，σ2表示高斯背景热噪声，εm表示
Figure BDA0002532658860000128
对应的信道状态误差范数界。
Figure BDA0002532658860000129
公式(2-3)中，αEk、βEk分别表示与AE、BE相关的用于求解所引入的辅助变量，
Figure BDA00025326588600001210
表示NM×NM的单位矩阵，
Figure BDA00025326588600001211
表示MBS至第k个FU的信道状态估计向量、
Figure BDA00025326588600001212
表示FBS至第k个FU的信道状态估计向量，
Figure BDA00025326588600001213
表示
Figure BDA00025326588600001214
的共轭转置向量，
Figure BDA00025326588600001215
表示
Figure BDA00025326588600001216
的共轭转置向量，εFk表示
Figure BDA00025326588600001217
对应的信道状态误差范数界，AE、BE、CEk为等效替代变量：
Figure BDA00025326588600001218
Figure BDA00025326588600001219
Figure BDA00025326588600001220
其中，Ek(k∈[1,K])表示第k个FU通过功率分离技术进行能量采集时的能量采集门限，κ微基站用户将能量转换系数，ΨFk表示微基站用户的接收信号功率用于信息解码的比例系数，εM,Fk表示
Figure BDA00025326588600001221
对应的信道状态误差范数界。
Figure BDA00025326588600001222
Figure BDA00025326588600001223
Figure DA00025326588642636
公式(2-4)中，χbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界；φbkt表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收干扰信号的下界；ζbmk表示第b个窃听者对第m个宏基站用户和第k个微基站用户的获取下行信号功率比值的下界；ηbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时遭受的人工噪声干扰信号与获取的第k个微基站用户信号功率比值的下界；
Figure BDA0002532658860000132
表示每个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的安全中断概率下界；Rmin,Sk表示第k个微基站用户遭受窃听时的安全速率门限；RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，
Figure BDA0002532658860000133
表示在第n次迭代时RFk(n)的初始值；
Figure BDA0002532658860000134
表示在第n次迭代时χbk的初始值；σ2表示高斯背景热噪声的功率；WFt表示微基站发送给第t个微基站用户的下行信息波束成形矩阵；εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000135
表示第n次迭代时εbt(n)的初始值；RFk表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界；
Figure BDA0002532658860000136
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，
Figure BDA0002532658860000137
是第n次迭代时
Figure BDA0002532658860000138
的初始值；ξbm(n)表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000139
是在第n次迭代时ξbm(n)的初始值。
Figure BDA00025326588600001310
公式(2-5)中，HFEb表示FBS至第b个Eve的信道协方差矩阵。
Figure BDA00025326588600001311
公式(2-6)中，WFt表示FBS(微基站)发送给第t个FU的下行信息波束成形矩阵，εbt(n)表示第b个窃听者对第t个FU(微基站用户)进行窃听时其他FUs的下行信号对其造成的干扰。
Figure BDA00025326588600001312
公式(2-7)中，αFk、βFk分别表示与BF、AFk相关的用于求解优化问题所引入的辅助变量，εFk表示
Figure BDA00025326588600001313
对应的信道状态误差范数界；AFk、BF、CFk为等效替代变量：
Figure BDA0002532658860000141
Figure BDA0002532658860000142
Figure BDA0002532658860000143
其中，WFk表示微基站发送给第k个微基站用户的下行信息波束成形矩阵，
Figure BDA0002532658860000144
表示微基站发送给除第k个微基站用户以外的微基站用户的下行信息波束成形矢量之和，RFk表示遭受窃听的第k个微基站用户的通信速率下界。
Figure BDA0002532658860000145
Figure BDA0002532658860000146
Figure BDA0002532658860000147
公式(2-10)中，φbkt(n)表示在第n次迭代中第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收干扰信号的下界；εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure BDA0002532658860000148
表示第n次迭代时εbt(n)的初始值。
Figure BDA0002532658860000149
公式(2-11)中，
Figure BDA00025326588600001410
表示FBS(微基站)发送的AN(人工噪声)矢量对Eve(窃听者)造成的干扰值。
Figure BDA00025326588600001411
公式(2-12)中，ηbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时遭受的人工噪声干扰信号与获取的第k个微基站用户信号功率比值的下界；
Figure BDA00025326588600001412
表示在第n次迭代时RFk(n)的初始值；
Figure BDA00025326588600001413
是第n次迭代时
Figure BDA00025326588600001414
的初始值。
Figure BDA00025326588600001415
公式(2-13)中，HEb表示MBS至第b个Eve的信道协方差矩阵，ξbm(n)表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰。
Figure BDA0002532658860000151
公式(2-14)中，ζbmk(n)表示第b个窃听者对第m个宏基站用户和第k个微基站用户的获取下行信号功率比值的下界，
Figure BDA0002532658860000152
表示第n次递归迭代时ξbm(n)的初始值,
Figure BDA0002532658860000153
表示第n次递归迭代时RFk(n)的初始值。
Wm≥0,WFk≥0,ZF≥0,m∈[1,M],k∈[1,K] (2-15)
αm≥0,βm≥0,αEk≥0,βEk≥0,αFk≥0,βFk≥0,m∈[1,M],k∈[1,K] (2-16)
步骤S440：求解联合优化设计问题，得出MBS和FBS最优的下行信息波束成形和AN矢量及相应的最优系统总发送功率目标值：
(a)利用公式(2-1)至(2-16)求解优化设计问题(2)，获取获取联合设计问题中需要进行更新的参数在本地递归迭代中的最优解
Figure BDA0002532658860000154
即
Figure BDA0002532658860000155
(b)更新下一次递归迭代初始可行点
Figure BDA0002532658860000156
(c)n＝n+1；
(d)递归迭代收敛或达到最大迭代次数限制Nmax，输出MBS和FBS最优的下行信息波束成形和AN矢量
Figure BDA0002532658860000157
m∈[1,M],k∈[1,K]及相应的最优系统总发送功率目标值。
本发明实施例的系统，参照图2，包括以下模块：信道状态获取模块100，信道状态传输模块200，联合设计模块300，矢量区分模块400以及矢量传输模块500。其中，信道状态获取模块100，用于获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息；信道状态传输模块200，用于将本站获取的信息状态信息及信道状态误差信息传送给中心处理基站；联合设计模块300，用于建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；矢量区分模块400，用于根据维度以及序号对信息状态信息及信道状态误差信息进行区分；矢量传输模块500，用于将区分后的信息状态信息及信道状态误差信息发送给相应的非中心处理基站。本发明实施例的系统中，还包括中心基站决策模块600，用于根据基站的CPU处理参数，如内核数、运算频率等，选择处理能力最强的基站作为中心处理基站。
参照图3，联合设计模块300包括：初始参数计算模块310，用于根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、信道状态误差信息以及网络中基站的总数目和每个基站配备天线数目、用户总数目及每个用户配备的天线数目确定初始可行解参数
Figure BDA0002532658860000161
迭代计算模块320，根据联合设计模型，对参数
Figure BDA0002532658860000162
更新，并进行递归迭代；迭代控制模块330，用于判段迭代更新参数的收敛状态，以及，是否已达最大迭代次数。
本发明实施例的一些系统中，事先确定中心处理基站，并将联合设计模块300、矢量区分模块400及矢量传输模块500部署在中心处理基站上，非中心处理基站上则部署信道状态获取模块100及信道状态传输模块200。参照图4，非中心处理基站通过信道状态获取模块100获取信道状态信息及信道状态误差信息，通过信道状态传输模块200发送给中心处理基站。中心处理基站收集全网的信道状态信息及信道状态误差信息，通过联合设计模块300获得下行信息波束及AN矢量，并由矢量区分模块400进行区分，通过自身的矢量传输模块500将相应的下行信息波束及AN矢量发送给非中心处理基站，非中心处理基站根据本站接收的下行信息波束及AN矢量控制传输给本站服务用户的传输下行信息。应理解的是，中心处理基站上还部署有信道状态获取模块100，以便获取本站的信道状态信息，图4中为便于理解中心处理基站与非中心处理基站的数据交互，并未标出。
在本发明的另一些实施例中，所有基站中均部署有以下模块：信道状态获取模块100、信道状态传输模块200、联合设计模块300、矢量区分模块400、矢量传输模块500及中心基站决策模块600。由中心基站决策模块600选择出作为中心处理基站的基站，该作为中心处理基站的基站则使能自身的信道状态获取模块100、联合设计模块300、矢量区分模块400以及矢量传输模块500；其它作为非中心处理基站的基站则仅使能信道状态获取模块100以及信道状态传输模块200。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，包括：
非中心处理基站获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息，通过基站间链路发送给中心处理基站；
所述中心处理基站基于全网的所述信道状态信息及所述信道状态误差信息，建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中所述联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；
所述中心处理基站对所述下行信息波束及所述AN矢量进行区分，通过所述基站间链路下发给相应的所述非中心处理基站；
所述非中心处理基站根据接收的所述下行信息波束及所述AN矢量，对本站的所述服务用户传输下行信息。
2.根据权利要求1所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述中心处理基站建立联合设计模型，获得所述下行信息波束及所述AN矢量的方法包括：
根据用户的下行最低接收SINR门限要求及系统安全中断概率约束门限，建立所述联合设计模型；
根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、所述信道状态误差信息以及网络中基站的总数目和每个基站配备天线数目、用户总数目及每个用户配备的天线数目确定初始可行解参数
Figure FDA0002532658850000011
根据所述联合设计模型，对变量
Figure FDA0002532658850000012
递归迭代，将本次迭代过程中获取的所述变量
Figure FDA0002532658850000013
的最优值作为下一次迭代起始参数，其中，n表示当前的迭代次数，RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，χbk(n)表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界，εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure FDA0002532658850000014
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，ξbm(n)为表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰；
根据预设的迭代次数，获取所述下行信息波束成形和所述AN矢量
Figure FDA0002532658850000021
及相应的系统总发送功率目标值，其中
Figure FDA0002532658850000022
表示递归迭代后MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵、
Figure FDA0002532658850000023
表示递归迭代后FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，
Figure FDA0002532658850000024
表示递归迭代后FBS发送的下行AN矩阵。
3.根据权利要求2所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述初始可行解参数
Figure FDA0002532658850000025
为：
根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、CSIs误差先验信息以及网络中所有基站的数目和每个基站配备天线数目、所有用户数目及每个用户配备的天线数目，随机选择初始参数
Figure FDA0002532658850000026
若选择的参数可以使得迭代过程进行下去，则所述初始参数为初始可行解参数
Figure FDA0002532658850000027
4.根据权利要求2所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，还包括：
根据迭代收敛情况，若所述参数
Figure FDA0002532658850000028
当前值与所述参数
Figure FDA0002532658850000029
在本次迭代前的值的差值在某一阈值内，停止递归迭代，获取所述下行信息波束成形和所述AN矢量。
5.根据权利要求2所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述中心处理基站根据序号及维度对所述下行信息波束及所述AN矢量进行区分。
6.根据权利要求1所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，还包括：
根据基站的CPU处理参数，选择处理能力最强的基站作为所述中心处理基站。
7.根据权利要求1所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输方法，其特征在于，所述联合设计模型具体包括：
Figure FDA0002532658850000031
Figure FDA0002532658850000032
Figure FDA0002532658850000033
Figure FDA0002532658850000034
Figure FDA0002532658850000035
Figure FDA0002532658850000036
Figure FDA0002532658850000037
Figure FDA0002532658850000038
Figure FDA0002532658850000039
Figure FDA00025326588500000310
Figure FDA00025326588500000311
Figure FDA00025326588500000312
Figure FDA00025326588500000313
Figure FDA0002532658850000041
Wm≥0,WFk≥0,ZF≥0,m∈[1,M],k∈[1,K]，
αm≥0,βm≥0,αEk≥0,βEk≥0,αFk≥0,βFk≥0,m∈[1,M],k∈[1,K]，
其中，Tr(A)表示对矩阵A取逆，Wm表示MBS发送给第m个MU的下行信息波束成形矩阵，WFk表示FBS发送给第k个FU的下行信息波束成形矩阵，ZF为FBS发送的下行AN矩阵；
Figure FDA0002532658850000042
表示MBS至第m个MU的信道状态估计向量、
Figure FDA0002532658850000043
表示FBS至第m个MU的信道状态估计向量，
Figure FDA0002532658850000044
表示至第k个FU的信道状态估计向量、
Figure FDA0002532658850000045
表示FBS至第k个FU的信道状态估计向量；HEb表示MBS至第b个Eve的信道状态协方差矩阵，HF,Eb表示FBS至第b个Eve的信道状态协方差矩阵；εm、εF,Mm、εFk、εM,Fk分别为
Figure FDA0002532658850000046
和
Figure FDA0002532658850000047
的信道状态误差范数界；
Figure FDA0002532658850000048
和
Figure FDA0002532658850000049
分别为
Figure FDA00025326588500000410
和
Figure FDA00025326588500000411
的共轭转置矢量；
Figure FDA00025326588500000412
表示NM×NM的单位矩阵；Ek(k∈[1,K])表示第k个FU通过功率分离技术进行能量采集时的能量采集门限；κ表示微基站用户将能量转换系数；ΨFk表示微基站用户的接收信号功率用于信息解码的比例系数；χbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界；φbkt表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收干扰信号的下界；ζbmk表示第b个窃听者对第m个宏基站用户和第k个微基站用户的获取下行信号功率比值的下界；ηbk表示第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时遭受的人工噪声干扰信号与获取的第k个微基站用户信号功率比值的下界；
Figure FDA00025326588500000413
表示每个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的安全中断概率下界；Rmin,Sk表示第k个微基站用户遭受窃听时的安全速率门限；RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，
Figure FDA00025326588500000414
表示在第n次迭代时RFk(n)的初始值；
Figure FDA00025326588500000415
表示在第n次迭代时χbk的初始值；σ2表示高斯背景热噪声的功率；WFt表示微基站发送给第t个微基站用户的下行信息波束成形矩阵；εbt(n)表示第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure FDA00025326588500000416
表示第n次迭代时εbt(n)的初始值；RFk表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界；
Figure FDA00025326588500000417
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，
Figure FDA0002532658850000051
是第n次迭代时
Figure FDA0002532658850000052
的初始值；ξbm(n)表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰，
Figure FDA0002532658850000053
是在第n次迭代时ξbm(n)的初始值；Am、Bm、Cm、AE、BE、CEk、AFk、BF和CFk分别为：
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8.一种时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统，其特征在于，使用权利要求1至7中任一项的方法，包括：
信道状态获取模块，用于获取本站的服务用户与网络中其它基站的服务用户的信息状态信息及相应的信道状态误差信息；
信道状态传输模块，用于将本站获取的所述信息状态信息及所述信道状态误差信息传送给中心处理基站；
联合设计模块，用于建立联合设计模型，获得下行信息波束及AN矢量，其中所述联合设计模型满足时延敏感异构网络的可靠性及安全性约束；
矢量区分模块，用于根据维度以及序号对所述信息状态信息及所述信道状态误差信息进行区分；
矢量传输模块，用于将区分后的所述信息状态信息及所述信道状态误差信息发送给相应的非中心处理基站。
9.根据权利要求8所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统，其特征在于，还包括：
中心基站决策模块，用于根据基站的CPU处理参数，选择处理能力最强的基站作为所述中心处理基站。
10.根据权利要求8所述的时延敏感异构网络中的鲁棒安全传输系统，其特征在于，所述联合设计模块包括：
初始参数计算模块，用于根据网络的可靠性和安全中断概率约束门限、所述信道状态误差信息以及网络中基站的总数目和每个基站配备天线数目、用户总数目及每个用户配备的天线数目确定初始可行解参；
迭代计算模块,用于根据所述联合设计模型，对变量
Figure FDA0002532658850000061
进行递归迭代，将本次迭代过程中获取的所述变量的最优值作为下一次迭代起始参数，其中，n表示当前的迭代次数，RFk(n)表示第k个微基站用户遭受窃听时的通信速率下界，χbk(n)第b个窃听者对第k个微基站用户进行窃听时的接收信干噪比上界，εbt(n)第b个窃听者对第t个微基站用户进行窃听时其他微基站用户对其造成的干扰，
Figure FDA0002532658850000062
表示微基站发送的人工噪声矢量对窃听者造成的干扰值，ξbm(n)为表示窃听者在对第m个宏基站用户进行窃听时其他宏基站用户的下行信号对其造成的干扰；
迭代控制模块，用于判断所述变量
Figure FDA0002532658850000063
的收敛状态，以及，判断是否已达最大迭代次数。
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