CN112969234A - 兼顾物理层安全性的d2d通信复用模式分组方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，包括步骤：根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；当D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；根据第一参考距离和所述第二参考距离，在D2D复用区域对D2D用户端通信复用模式进行分组，既保证蜂窝用户端的安全性和D2D通信与蜂窝通信的通信质量，又能在频谱资源短缺时使较多的D2D用户端建立通信。

Description

兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法
技术领域
本发明涉及第五代(5G)移动终端技术领域，更具体地说，涉及一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法、装置、设备及可读存储介质。
背景技术
随着智能终端的引入，视频流及多媒体文件共享等渴求高带宽应用的迅猛增加，用户对移动宽带的需求空前高涨，即将突破当前蜂窝系统的极限。当前的4G网络无法满足思科网真及3D全息技术等多元媒体移动应用所需要的速率，不断增长的高速率和大容量需求迫切需要解决频谱资源紧张问题，迫切需要面向5G的无线通信技术的演进，同时迫使5G蜂窝网络采用不同寻常的思路。
作为5G的关键技术之一，D2D通信是一种工作在授权频带，允许邻近终端使用蜂窝资源进行直接通信的新型技术。基站不参与或只负责控制D2D通信过程的建立、维持和结束，不负责数据的转发，因而D2D技术可以降低基站侧的负担，提高频谱资源利用率，增加系统容量。由于用户之间距离较近，相比传统的蜂窝通信(需要经过基站转接)，D2D通信技术不仅可以减少衰减，也可以降低用户终端的发射功率，从而可以节省用户终端的电量，提高能量效率。
与蓝牙、WLAN和其它近场通信技术相比，D2D通信工作在授权频带，用户通信的质量可以得到保证、安全性较高；由于采用注册式接入，D2D通信对终端用户具有透明性，无需像WLAN及蓝牙手动配对及设置接入点，因而可以提高用户的体验度。
因此，D2D通信不仅能够降低基站的负载、有效地改善系统频谱效率及提高系统通信容量；而且能降低传输时延、减少功率损耗及提高能量效率，具有较强的技术优势。
D2D通信技术所具有的诸多优点，主要基于D2D通信大多采用复用方式和蜂窝用户端共享资源以节省频谱资源、提高频率利用效率。但这样做的同时就不可避免的给整个小区带来干扰。因此，为了在保证蜂窝通信性能的基础上尽可能高的提高频谱资源利用率，需要对蜂窝网络中D2D通信系统进行合理的复用和资源分配。
与此同时，通信系统的安全性问题也应该受到重视。用户端在网络的各层上都会受到各种攻击，在网络层上，有虫洞攻击、资源消耗攻击、路由攻击等；在传输层上，可能会发生会话劫持；在应用层上，存在节点拒绝通信。针对这些安全威胁的解决方案十分繁杂，而相比之下，物理层安全这种利用无线信道特性、调制编码、多天线和干扰来降低窃听者检测和拦截敏感通信的能力的技术能更方便地解决无线网络的安全性问题，而无需更高层次上的加密。由于D2D通信通常可以在较低的功耗下进行，而且当无线网络中存在窃听者时，D2D用户端可以对窃听者施加干扰，因此D2D通信能够天然地增强蜂窝用户端的安全性。
为此，综合考虑在蜂窝用户端被位置信息未知的窃听者窃听的情况下，如何保持蜂窝用户端的安全性的同时又要保证蜂窝通信与D2D通信的性能，一种兼顾物理层安全的D2D通信复用模式分组方法具有非常重要的理论与现实意义。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法、装置、设备及计算机可读存储介质，旨在解决在蜂窝用户端被位置信息未知的窃听者窃听的情况下，如何保持蜂窝用户端的安全性的同时又要保证蜂窝通信与D2D通信的性能的问题。兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法包括以下步骤：
根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；
当所述D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
在一种实施方式中，所述根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数的步骤包括：
根据D2D复用区域中的蜂窝用户端的安全中断概率与D2D用户端的发送功率总和的函数关系通过确定所述安全中断概率获得所述发送功率总和；
根据所述发送功率总和确定能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数。
在一种实施方式中，所述第一公式为：
Figure BDA0002930170570000031
其中，r1表示所述第一参考距离，Pi表示第i个D2D用户对的发送功率，PL0表示距所述基站10米处的路径损耗，N0表示噪声功率，α表示路径损耗因子，ε表示所述蜂窝用户的信噪比，M表示所述对数，γcmin是所述基站的最小信噪比；
所述第二公式为：
Figure BDA0002930170570000032
其中，r2表示所述第二参考距离，D表示所述D2D用户端的个数。
在一种实施方式中，所述根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组的步骤包括：
获取所述发送端与所述基站的的第一实测距离；
当所述第一参考距离≤所述第一实测距离≤预设半径，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用多对一复用模式；
当所述第二参考距离≤所述第一实测距离<第一参考距离，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用一对一复用模式。
在一种实施方式中，所述根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组的步骤之后，还包括：
根据第三公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第三参考距离，以及根据第四公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第四参考距离；
根据所述第三参考距离和所述第四参考距离选择待复用的所述蜂窝用户进行复用。
在一种实施方式中，所述根据所述第三参考距离和所述第四参考距离选择待复用的所述蜂窝用户进行复用的步骤包括：
在所述多对一复用模式下，若多个所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户端的第二实测距离大于或等于第三参考距离，则允许多个所述D2D用户端对所述蜂窝用户端进行复用；
在所述一对一复用模式下，若所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户的第二实测距离大于或等于第四参考距离，则允许所述D2D用户端对对所述蜂窝用户端进行复用。
在一种实施方式中所述第三公式为：
Figure BDA0002930170570000041
其中，r3表示所述第三参考距离，Ji表示复用同一所述蜂窝用户的频谱资源除第i个所述D2D用户端外的M-1个D2D用户端对第i个所述D2D用户端的干扰，dk表示所述蜂窝用户端与所述基站之间的距离，di表示第i个所述D2D用户端中发送端与接收端之间的距离，C为蜂窝用户的个数，γdmin表示所述D2D用户端中接收端的最小信噪比；
所述第四公式为：
Figure BDA0002930170570000042
其中，r4表示所述第四参考距离。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组装置，所述D2D通信复用模式分组装置包括：
计算模块，用于根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；当所述对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
分组模块，用于根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备，所述D2D通信复用模式分组设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的D2D通信复用模式分组程序，所述D2D通信复用模式分组程序被所述处理器执行时实现如上所述的D2D通信复用模式分组方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有所述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组程序，所述D2D通信复用模式分组程序被处理器执行时实现如上所述的D2D通信复用模式分组方法的步骤。
本发明根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；当D2D用户端对数大于1的整数时，根据第一公式计算满足蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；根据第一参考距离和所述第二参考距离，在D2D复用区域对D2D用户端通信复用模式进行分组，既能保证蜂窝用户端的安全性和D2D通信与蜂窝通信的通信质量，又能在频谱资源短缺的情况下使较多的D2D用户端成功建立通信。
附图说明
图1为实现本发明各个实施例一种设备的硬件结构示意图；
图2为本发明兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法实施例的流程示意图；
图3为蜂窝用户端的安全中断概率和D2D用户端发送功率总和的关系示意图；
图4为第一参考距离r1、第二参考距离r2、第三参考距离r3和第四参考距离r4的位置示意图。
图5为图3的具体示例图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备，参照图1，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的结构示意图。
需要说明的是，图1即可为兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备的硬件运行环境的结构示意图。本发明实施例兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备可以是PC(Personal Computer，个人电脑)，便携计算机，服务器等设备。
如图1所示，该兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备可以包括：处理器1001，例如CPU，存储器1005，用户接口1003，网络接口1004，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
可选地，兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备还可以包括RF(RadioFrequency，射频)电路，传感器、WiFi模块等等。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备结构并不构成兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种计算机存储可读存储介质的存储器1005中可以包括操作设备、网络通信模块、用户接口模块以及D2D通信复用模式分组程序。其中，操作设备是管理和控制D2D通信复用模式分组设备硬件和软件资源的程序，支持D2D通信复用模式分组程序以及其它软件或程序的运行。
图1所示的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备，可用于解决在蜂窝用户端被位置信息未知的窃听者窃听的情况下，如何保持蜂窝用户端的安全性的同时又要保证蜂窝通信与D2D通信的性能的问题，用户接口1003主要用于侦测或者输出各种信息；网络接口1004主要用于与后台服务器交互，进行通信；处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的D2D通信复用模式分组程序，并执行以下操作：
根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；
当所述D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
本发明的兼顾物理层安全的D2D通信复用模式分组方法，具有以下有益效果：本发明采用D2D用户端复用蜂窝用户端的上行资源，根据被窃听的蜂窝用户端的安全中断概率确定复用蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数，然后根据D2D用户端与基站的距离，确定出D2D用户端的复用模式，从而将D2D用户端进行灵活的分组，且采用本发明的分组方法，既能保证蜂窝用户端的安全性和D2D通信与蜂窝通信的通信质量，又能在频谱资源短缺的情况下使尽量多的D2D用户端成功建立通信，进而提高系统的吞吐量及频谱资源的利用率。
本发明移动终端具体实施方式与下述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法各实施例基本相同，在此不再赘述。
基于上述结构，提出本发明兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法的实施例。
本发明提供一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法。
参照图2，图2为本发明兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法实施例的流程示意图。
在本实施例中，提供了兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法的实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中，兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法包括：
步骤S10，根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；
本实施例提出计算蜂窝用户端的安全中断概率，定义蜂窝用户端的安全中断概率为：
Figure BDA0002930170570000081
dBC表示基站到蜂窝用户端的距离，di,B表示第i个D2D用户端到基站的实测距离，RS是蜂窝用户端受到窃听时的安全速率，PL0表示距所述基站10米处的路径损耗；N0是噪声功率；α是路径损耗因子；PC是蜂窝用户的发送功率；gCE和gDiE分别是蜂窝用户到窃听者的信道增益和D2D用户发射端到窃听者的信道增益，设它们分别服从指数分布：
Figure BDA0002930170570000082
它们是相互独立的，β和θi是平均信道增益。
令x＝PC·gCE，
Figure BDA0002930170570000083
代入(公式1.1)中，得：
Figure BDA0002930170570000084
根据公式1.3可得：
Figure BDA0002930170570000085
Rs＝log2(1+SINRB)-log2(1+SINRE)，其中
Figure BDA0002930170570000091
是基站的信噪比，
Figure BDA0002930170570000092
是窃听者的信噪比，M表示：采用多对一复用模式时，进行多对一复用的D2D用户端的个数，即有M个D2D用户端同时复用一个蜂窝用户资源；CS是蜂窝用户端安全速率的阈值；θ是D2D发送端到窃听者的信道增益的均值；β是窃听者到蜂窝用户端的信道增益的均值。
在一些实施例中，根据D2D复用区域中的蜂窝用户端的安全中断概率与D2D用户端的发送功率总和的函数关系通过确定所述安全中断概率获得所述发送功率总和；根据所述发送功率总和确定能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数。
可以证明，蜂窝用户的安全中断概率pout是关于D2D发射功率
Figure BDA0002930170570000093
的凹函数，如图3所示，随着
Figure BDA0002930170570000094
的逐渐增加，pout将会呈现先减小后增加的趋势，图中是τ安全中断概率阈值，若pout大于τ，则对应的
Figure BDA0002930170570000095
不满足蜂窝用户的安全性条件。根据pout和τ可以确定
Figure BDA0002930170570000096
的范围，设每个D2D用户都以预设的最大发射功率发射信号，就能根据
Figure BDA0002930170570000097
的范围确定M的取值范围。若M>1，则接下来对D2D用户端的复用模式进行分组。
步骤S20，当所述D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
复用区域可以是生活小区，也可以学校等。当D2D用户端的对数为1时，对D2D用户端采用一对一的复用模式。当对数为大于1的整数，有些D2D用户端采用一对一的复用模式，有些D2D用户端采用多对一的复用模式，本实施例提供一种兼顾物理层安全性的对D2D用户端进行分组的方法，一组采用多对一的复用模式，一组采用一对一的复用模式。
根据第一信噪比公式计算多对一复用模式下基站的信噪比，第一信噪比公式为：
Figure BDA0002930170570000098
其中，JDi表示M个D2D用户端对基站的干扰，其具体表达式为：
Figure BDA0002930170570000099
当基站的信噪比大于或等于基站的信噪比阈值γcmin(一般情况下这一条件可以满足)时，说明满足蜂窝用户端的通信质量，再根据第一公式计算满足蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与D2D复用区域中基站的第一参考距离，第一公式为
Figure BDA0002930170570000101
其中，r1表示所述第一参考距离，Pi表示第i个D2D用户对的发送功率，PL0表示距基站10米处的路径损耗，N0表示噪声功率，α表示路径损耗因子，ε表示蜂窝用户的信噪比
Figure BDA0002930170570000102
Pk是蜂窝用户的发送功率，dk是蜂窝用户到基站的距离；M表示所述D2D用户端对数，γcmin是所述基站的信噪比阈值。需要说明的是基站的信噪比阈值即为基站的最小信噪比。
根据第二信噪比公式计算一对一复用模式下基站的信噪比，第二信噪比公式为：
Figure BDA0002930170570000103
当基站的信噪比大于或等于基站的信噪比阈值γcmin(一般情况下这一条件可以满足)，说明满足蜂窝用户端的通信质量，再根据第二公式计算满足D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离，第二公式为：
Figure BDA0002930170570000104
其中，r2表示所述第二参考距离，D表示所述D2D用户端的个数。
步骤S30，根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
在一些实施例中，获取所述发送端与所述基站的的第一实测距离；
当所述第一参考距离≤所述第一实测距离≤预设半径，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用多对一复用模式；
当所述第二参考距离≤所述第一实测距离<第一参考距离，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用一对一复用模式。
预设半径为固定阈值。参照图4，分别以第一参考距离r1、第二参考距离r2、预设半径rth为半径画圆，那么对于半径为r1和半径为rth两圆之间的环形的D2D用户端采用多对一的复用模式，多对一复用模式即多个D2D用户端可以复用一个蜂窝用户端的频谱资源；对于半径为r1和半径为r2两圆之间的环形的D2D用户端采用一对一的复用模式，一对一复用模式即一个D2D用户端可以复用一个蜂窝用户端的频谱资源。
要满足蜂窝用户端的通信质量，第i个D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离di，B需大于或等于第一参考距离r1且小于或等于预设半径rth。所以，通过判断D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离di，B是否大于或等于第二参考距离r2，确定此时对第i个D2D用户端可以采用的复用模式为多对一复用模式。
同样的，要满足蜂窝用户的通信质量，第i个D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离di，B需大于或等于第二参考距离r2且小于或等于第一参考距离r1，确定此时对第i个D2D用户端可以采用的复用模式为一对一复用模式。
本实施例呈现的是兼顾物理层安全的D2D通信复用模式分组方法，采用D2D用户端复用蜂窝用户端的上行资源，根据被窃听的蜂窝用户端的安全中断概率确定复用蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数，然后根据D2D用户端与基站的距离，确定出D2D用户端的复用模式，从而将D2D用户端进行灵活的分组，且采用本发明的分组方法，既能保证蜂窝用户端的安全性和D2D通信与蜂窝通信的通信质量，又能在频谱资源短缺的情况下使尽量多的D2D用户端成功建立通信，进而提高系统的吞吐量及频谱资源的利用率。
在一些实施例中，步骤S30之后，还包括：根据第三公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第三参考距离，以及根据第四公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第四参考距离；根据所述第三参考距离和所述第四参考距离选择待复用的所述蜂窝用户进行复用。
当第i个D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离di，B大于或等于第一参考距离r1且小于或等于预设半径rth时，首先根据第三信噪比公式计算第i个D2D用户端中接收端的信噪比，第三信噪比公式为：
Figure BDA0002930170570000111
其中，存在其他M-1个D2D用户端对第i个D2D用户端中接收端的干扰Ji，蜂窝用户对第i个D2D用户端的干扰Jcuk，以及M个D2D用户端对基站的干扰JDi，当第i个D2D用户端接收端的信噪比大于或等于第i个D2D用户端中接收端的最小信噪比γdmin(一般情况下这一条件可以满足)时，说明满足所述D2D用户端通信质量的要求，再根据第三公式计算第三参考距离，第三公式为：
Figure BDA0002930170570000112
其中，r3表示所述第三参考距离，Ji表示复用同一所述蜂窝用户端的频谱资源除第i个所述D2D用户端外的M-1个D2D用户端对第i个所述D2D用户端的干扰，dk表示所述蜂窝用户端与所述基站之间的距离，di表示第i个所述D2D用户端中发送端与接收端之间的距离，C为蜂窝用户的个数；
当第i个D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离di，B需大于或等于第二参考距离r2且小于或等于第一参考距离r1时，首先根据第四信噪比公式计算第i个D2D用户端中接收端的信噪比，第四信噪比公式为：
Figure BDA0002930170570000121
同样的，当第i个D2D用户端接收端的信噪比大于或等于第i个D2D用户端中接收端的最小信噪比γdmin(一般情况下这一条件可以满足)时，说明满足所述D2D用户端通信质量的要求，再根据第四公式计算第四参考距离。第四公式为：
Figure BDA0002930170570000122
其中，r4表示所述第四参考距离。
在一些实施例中，在所述多对一复用模式下，若多个所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户端的第二实测距离大于或等于第三参考距离，则允许多个所述D2D用户端对所述蜂窝用户端进行复用；在所述一对一复用模式下，若所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户的第二实测距离大于或等于第四参考距离，则允许所述D2D用户端对对所述蜂窝用户端进行复用。
当D2D用户端采用多对一复用模式进行复用时，为了保证D2D用户端的通信质量，通过判断蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第二实测距离di，k需大于或等于第三参考距离r3，可以确定蜂窝用户端是否可以被D2D用户端复用，即在多对一复用模式下，通过判断蜂窝用户端与D2D用户接收端的第二实测距离di，k与第三参考距离r3的大小可以确定用于复用的蜂窝用户端。
当D2D用户端采用一对一复用模式进行复用时，为了保证D2D用户端的通信质量，蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第二实测距离di，k需大于或等于第四参考距离r4。所以，通过判断蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第二实测距离di，k是否大于或等于第四参考距离r4，可以确定蜂窝用户端是否可以被D2D用户端复用。即在一对一复用模式下，通过判断蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第二实测距离di，k与第四参考距离r4的大小可以确定用于复用的蜂窝用户。
以下以一个具体的实施例对本发明的兼顾物理层安全的D2D通信复用模式分组方法进行说明。具体构造如下：
计算被窃听者窃听的蜂窝用户的安全中断概率pout，计算能够复用蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数。计算中涉及的参数如表1所示：
r<sub>th</sub> 小区最大半径 500m
N<sub>0</sub> 噪声 10^(-10.4)mW
ε 蜂窝用户的信干燥比 40dB
γ<sub>dmin</sub> D2D用户的最小信噪比 20dB
d<sub>i</sub> D2D对之间的最大距离 25m
α 路径损耗因子 3
D2D对个数 20
CU用户个数 40
P<sub>i</sub> D2D的最大发送功率 0dBm
PL<sub>0</sub> 距基站10米处的路径损耗 788.9546351
γ<sub>cmin</sub> 基站的最小信噪比 20dB
系统带宽 10MHz
θ D2D发送端到窃听者的信道增益均值 8*10^(-8)
β 窃听者到蜂窝用户的信道增益均值 1.8*10^(-8)
τ 安全中断概率阈值 0.35
C<sub>S</sub> 蜂窝用户安全速率的阈值 3bit/s/Hz
表1
根据表1中的数据，假设小区的最大半径为500m，小区内有20个D2D用户端和40个蜂窝用户端，D2D用户端和蜂窝用户端随机分布在小区内，所有D2D用户端相互之间的距离即di，j满足在0-1000m之间的随机分布，蜂窝用户到基站的距离即dk满足在0-500m之间的随机分布，假设每个D2D用户端都以其最大发射功率发射信号。
注意到要使蜂窝用户端的安全中断概率pout在最坏的情况下都能满足安全性的条件，所以公式1.1中的dBC需取最大值、di,B需取最小值。为了得到这两个值，需要先分析图4中几个距离限制的关系。
多对一复用模式下，根据第三信噪比公式，可计算出被复用的蜂窝用户与D2D用户接收端的第三参考距离r3。也就是说，只要被复用的蜂窝用户与D2D用户对之间的第二实测距离di，k大于或等于第三参考距离r3，D2D通信的质量就可以得到保障。
如图4所示，被复用的蜂窝用户的位置是在以D2D用户端中接收端为圆心，以第三参考距离r3为半径的圆外。即为了得到更多的符合条件的可以被复用的蜂窝用户，理想情况下，一个蜂窝用户到基站的距离dk越大越好，第一参考距离r3越小越好。通过第三公式可以看出dk越小，第三参考距离r3就越小；dk越大，第三参考距离r3就越大；由此可知，dk和第三参考距离r3是相互制约的关系，而小区的最大半径为500m，由于被复用的蜂窝用户要求在r3之外且在dk之内，即被复用的蜂窝用户与D2D用户端中接收端的第二实测距离di，k要大于或等于第三参考距离r3、且与基站的距离要小于dk，所以，需要满足：r3+dk<500m。
为了掌握dk的最大取值，可以先取一种极端情况，即两个蜂窝用户端复用一个蜂窝用户端的频谱资源且这两个D2D用户端的相互距离di，j最大，此时原则上为多对一的复用模式。如：取di，j＝1000m，可得dk＝55.373137038501284m，根据第三信噪比公式可计算出第三参考距离r3＝444.6381788890302m，由此可以看出，此时，满足r3+dk<500m的条件。此时的dk就是计算安全中断概率需要的dBC的最大值。计算r1，得r1＝86.279680270918160m，此时的r1就是计算安全中断概率需要的di,B的最小值。
根据上述的数据计算出蜂窝用户的安全中断概率如图5所示：
可以看出，
Figure BDA0002930170570000141
的取值在0.2～3.2mW时，能够满足蜂窝用户端的安全需求。当每个D2D用户端都以其最大发射功率发送信号时，即Pi＝1mW时，每个蜂窝用户端可被1～3对D2D用户端复用。
将3个D2D用户端分为一组，取dk＝55.373137038501284m(最大取值)，随机距离di，j＝990m、982m，需要说明的是，同组的D2D对之间的距离要尽可能的远，因为距离越近，相互干扰越大。根据第三信噪比公式可计算出第三参考距离r3＝444.892255377191m，此时的r3不满足r3+dk<500m的条件，也就是说3个D2D用户端之间的相互干扰和蜂窝用户端通信的干扰不满足D2D用户接收端的信噪比约束，相互干扰太大，此时D2D通信无法进行。
根据第三公式可以看出，dk减小，r3也减小，因此可以通过减小dk以找到合适的第三参考距离r3。当dk＝55.3m，根据第三公式可计算出第三参考距离r3＝444.304640086624m。由此可以看出，当M＝3、dk＝55.3m时，才满足r3+dk<500m的条件。此时计算r1＝98.765578849067740m。
根据第三信噪比公式，计算满足蜂窝通信信噪比阈值的D2D用户端中发送端与基站之间的第二参考距离r2。也就是说当D2D用户端中发送端与基站的第一实测距离大于或等于第二参考距离r2时，D2D用户端可以复用蜂窝用户端的频谱资源，并且保证蜂窝用户端的通信可以正常的进行。
假设小区的最大半径为500m，每一个D2D用户端都以最大的发送功率Pmax＝0dbm进行通信，根据表1中列出的参量取值，计算出第二参考距离r2＝68.480227612767700m。
进行一对一复用的D2D用户在以基站为中心以第一参考距离r1为半径的圆内，由于被复用的蜂窝用户端要求在第四参考距离r4之外即被复用的蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第二实测距离要大于或等于第四参考距离r4，且在dk之内(即被复用的蜂窝用户与基站的距离小于dk)。因此，我们可以知道第三参考距离r4与dk的和要满足：r4+dk<r1，才可以满足通信要求。
在步骤S2中，根据一对一复用模式D2D用户端中接收端的信噪比阈值，取蜂窝用户端与基站的距离dk＝55.373137038501284m，假设每一个D2D用户端都以最大的发送功率Pmax＝0dBm发射，D2D用户端中的D2D用户端中接收端与D2D用户端中发送端的距离di＝25m，那么被复用的蜂窝用户与D2D用户端中接收端的第四参考距离r4＝444.3831836129006m。此时不满足条件r4+dk<r1。
为满足条件r4+dk<r1，依次减小dk。当dk＝10.9m时，被复用的蜂窝用户端与D2D用户端中接收端的第四参考距离r4＝87.4752083851184m，此时既满足了D2D用户端中接收端的信噪比要求，又满足了r4+dk<r1的约束条件。
需要说明的是，一对一复用时，r4只是每个D2D用户端选择复用的蜂窝用户端的参考距离，不同的D2D用户端可以有自己的参考距离。本例是以D2D最大发射功率及最大距离计算r4的，实际中，每个D2D用户端可以根据自己的具体发射功率及D2D用户端之间的距离计算自己的r4。
可以确定D2D用户端的复用模式选择。具体的，如前文所述当M＝3时，根据第一信噪比公式可计算出D2D用户端发送端到基站的第一参考距离r1＝98.765578849067740m。所以，当D2D用户端发送端与基站的第一实测距离di，B大于或者等于第一参考距离r1＝98.765578849067740m并且小于预设半径rth＝500m，D2D用户端选择多对一的复用模式进行通信。其中，被复用的蜂窝用户端的位置是在以D2D用户端接收端为中心、以第三参考距离r3＝444.304640086624m为半径的圆外。
当D2D用户发送端与基站的第一实测距离di，B大于或者等于第二参考距离r2＝68.480227612767700m并且小于第一参考距离r1＝98.765578849067740m，D2D用户端可以选择一对一的复用模式进行通信。其中，被复用的蜂窝用户的位置是在以D2D用户端接收端为中心、以第四参考距离r4＝87.4752083851184m为半径的圆外。
本发明采用复用蜂窝用户端的上行资源，根据蜂窝用户端的安全中断概率得出复用蜂窝用户端的资源的D2D端的对数，然后根据D2D用户端接收端和基站的信噪比，推导出D2D用户端的复用模式选择策略，从而为D2D用户端选择灵活的复用模式。采用该复用模式选择策略，既能保证蜂窝用户端安全性又能保证D2D用户端通信与蜂窝通信的通信质量，进而提高系统的安全性、吞吐量及频谱资源的利用率。
本实施例通过共享平台发送灾难隐患的详细信息至交流平台，提示处于具有灾难隐患的预设区域的人们提高警惕，避免自然灾害带来的不必要损失。
此外，本发明实施例还提出一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组装置，所述D2D通信复用模式分组装置包括：
计算模块，用于根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；当所述D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
分组模块，用于根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述兼顾物理层安全性的D2D用户端通信复用模式进行分组。
本发明所述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组装置实施方式与上述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组各实施例基本相同，在此不再赘述。
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组程序，所述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组程序被处理器执行时实现如上所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法的各个步骤。
需要说明的是，计算机可读存储介质可设置在兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备中。
本发明计算机可读存储介质具体实施方式与上述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法各实施例基本相同，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法包括以下步骤：
根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；
当所述D2D用户端对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
2.如权利要求1所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数的步骤包括：
根据D2D复用区域中的蜂窝用户端的安全中断概率与D2D用户端的发送功率总和的函数关系通过确定所述安全中断概率获得所述发送功率总和；
根据所述发送功率总和确定能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数。
3.如权利要求1所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述第一公式为：
Figure FDA0002930170560000011
其中，r1表示所述第一参考距离，Pi表示第i个D2D用户端的发送功率，PL0表示距所述基站10米处的路径损耗，N0表示噪声功率，α表示路径损耗因子，ε表示所述蜂窝用户端的信噪比，M表示所述D2D用户端对数，γcmin是所述基站的最小信噪比；
所述第二公式为：
Figure FDA0002930170560000021
其中，r2表示所述第二参考距离，D表示所述D2D用户端的个数。
4.如权利要求1所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组的步骤包括：
获取所述发送端与所述基站的的第一实测距离；
当所述第一参考距离≤所述第一实测距离≤预设半径，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用多对一复用模式；
当所述第二参考距离≤所述第一实测距离<第一参考距离，对与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用一对一复用模式。
5.如权利要求4所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组的步骤之后，还包括：
当与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用多对一复用模式时，根据第三公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第三参考距离；
当与所述第一实测距离对应的所述D2D用户端采用一对一复用模式时，根据第四公式计算满足所述D2D用户端通信质量的所述蜂窝用户端与所述D2D用户端中接收端的第四参考距离；
根据所述第三参考距离和所述第四参考距离选择待复用的所述蜂窝用户进行复用。
6.如权利要求5所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述根据所述第三参考距离和所述第四参考距离选择待复用的所述蜂窝用户进行复用的步骤包括：
在所述多对一复用模式下，若多个所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户端的第二实测距离大于或等于第三参考距离，则允许多个所述D2D用户端对所述蜂窝用户端进行复用；
在所述一对一复用模式下，若所述D2D用户端中接收端与所述蜂窝用户的第二实测距离大于或等于第四参考距离，则允许所述D2D用户端对所述蜂窝用户端进行复用。
7.如权利要求6所述的兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组方法，其特征在于，所述第三公式为：
Figure FDA0002930170560000031
其中，r3表示所述第三参考距离，Ji表示复用同一所述蜂窝用户端的频谱资源除第i个所述D2D用户端外的M-1个D2D用户端对第i个所述D2D用户端的干扰，dk表示所述蜂窝用户端与所述基站之间的距离，di表示第i个所述D2D用户端中发送端与接收端之间的距离，C为蜂窝用户的个数，γdmin表示所述D2D用户端中接收端的最小信噪比；
所述第四公式为：
Figure FDA0002930170560000032
其中，r4表示所述第四参考距离。
8.一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组装置，其特征在于，所述D2D通信复用模式分组装置包括：
计算模块，用于根据D2D复用区域中蜂窝用户端的安全中断概率，计算在保证所述蜂窝用户端物理层安全性前提下能够复用所述蜂窝用户端频谱资源的D2D用户端对数；当所述对数为大于1的整数时，根据第一公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的D2D用户端中发送端与所述D2D复用区域中基站的第一参考距离，以及根据第二公式计算满足所述蜂窝用户端通信质量的所述D2D用户端中发送端与基站的第二参考距离；
分组模块，用于根据所述第一参考距离和所述第二参考距离，在所述D2D复用区域对所述D2D用户端通信复用模式进行分组。
9.一种兼顾物理层安全性的D2D通信复用模式分组设备，其特征在于，所述D2D通信复用模式分组设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的D2D通信复用模式分组程序，所述D2D通信复用模式分组程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的D2D通信复用模式分组的步骤。
10.一种兼顾物理层安全性的可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质为计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储有D2D通信复用模式分组程序，所述D2D通信复用模式分组程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的D2D通信复用模式分组方法的步骤。
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