CN113498160B - 提升d2d通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线通信领域，提供了提升D2D通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质，以低成本、高效率地增强D2D通信系统的安全。该方法包括：根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b；以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。本申请的技术方案既发挥了D2D通信与IRS相结合的优势，又有效提高了CU设备的通信安全。

Description

提升D2D通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种提升D2D通信安全的方法、装置、设备和计算机可读存储介质。

背景技术

随着无线通信系统中安全问题的日益突出，对系统的保密性能的要求逐渐提高。设备间通信(Device-to-Device，D2D)作为一种关键的无线技术，它允许一个用户与复用蜂窝用户(Cellular Users，CUs)频谱资源的邻近用户进行通信。尽管D2D网络的频谱效率得到了有效提高，然而，D2D的通信安全也面临一些挑战，例如，非法用户窃听CU的信息。针对上述问题，现有的解决方案是通过引入人工噪声或协同干扰去干扰非法用户，然而，这种方法会造成一些额外的开销，在效率上与实际应用的需求存在较大的距离。

发明内容

本申请提供一种提升D2D通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质，以低成本、高效率地增强D2D通信系统的安全。

一方面，本申请提供了一种提升D2D通信安全的方法，包括：

根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；

根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b；

以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b。

另一方面，本申请提供了一种提升D2D通信安全的装置，包括：

确定模块，用于根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；

计算模块，用于根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b；

优化模块，用于以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b。

第三方面，本申请提供了一种设备，所述设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述提升D2D通信安全的方法的技术方案的步骤。

第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述提升D2D通信安全的方法的技术方案的步骤。

从上述本申请提供的技术方案可知，一方面，将D2D通信与IRS相结合，D2D复用CU设备的频率，提高系统频率利用率，IRS可以用于增强期望的信号和抑制干扰信号，充分发挥两者的优势；另一方面，不同于现有技术通过协同干扰或引入人工噪声的方法来提高安全通信，本申请提出通过D2D、CU设备和IRS的共同作用来提高系统的安全率，对CU设备的安全率进行优化的同时满足D2D链路的速率要求，通过引入IRS能增加对非法用户的干扰、降低对合法用户的干扰，因此，能够更加有效地提高CU设备的通信安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的提升D2D通信安全的方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的提升D2D通信安全的方法所应用到的系统的示意图；

图3是本申请实施例提供的CU设备和DTX的发射功率分配的可行区域的示意图；

图4是本申请实施例提供的提升D2D通信安全的方法所应用到的系统的仿真设置示意图；

图5是本申请实施例提供的IRS包含不同反射单元数量下所提出算法的收敛性的示意图；

图6是本申请实施例提供的IRS包含的反射单元数量增加，CU设备的安全率的变化情况的示意图；

图7是本申请实施例提供的随着CU设备和DTX最大发射功率的增加CU设备的安全率的变化情况的示意图；

图8是本申请实施例提供的随着IRS至EVE的水平距离的增加，CU设备的安全率的变化情况的示意图；

图9是本申请实施例提供的提升D2D通信安全的装置的结构示意图；

图10是本申请实施例提供的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本说明书中，诸如第一和第二这样的形容词仅可以用于将一个元素或动作与另一元素或动作进行区分，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在环境允许的情况下，参照元素或部件或步骤(等)不应解释为局限于仅元素、部件、或步骤中的一个，而可以是元素、部件、或步骤中的一个或多个等。

在本说明书中，为了便于描述，附图中所示的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

本申请提出了一种提升D2D通信安全的方法，可应用于附图2示例的单输入多输出(Single-Input Mutliple-Output，SIMO)通信系统，该系统包括基站BS、蜂窝用户CU设备、非法用户设备(使用EVE表示)、D2D对发送端DTX、D2D对接收端DRX和智能反射表面IRS，其中，一个D2D对是由一个发送端即D2D对发送端(使用DTX表示)和一个接收端即D2D对接收端(使用DRX表示)组成，基站(Base Station，BS)配置有N个天线，CU设备通过直接信道和间接信道与BS进行通信；假设D2D对和EVE都配备单天线，并且，D2D复用CU设备的信道进行通信，信道信息对于通信两端都是已知的；箭头表示设备之间的信道。如附图1所示，提升D2D通信安全的方法主要包括步骤S101至S103，详述如下：

步骤S101：根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e。

作为本申请一个实施例，根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e可以是：根据CU设备的发射功率、DTX的发射功率以及CU设备、DTX、DRX、BS、IRS和EVE之间的信道，按照如下公式计算CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e：

其中，w∈C^N×1表示BS接收到的归一化波束赋形向量，G∈C^N×M、h_CI∈C^M×1和h_TI∈C^M×1分别表示IRS到BS的反射信道、CU设备到IRS的反射信道和DTX到IRS的反射信道，

表示IRS包含的M个反射单元的对角相移矩阵，θ_i表示第i个反射单元引起的相移，h_CB∈C^N×1和h_TB∈C^N×1代表CU设备到BS、DTX到BS的直接信道，P^c和P^d分别表示CU设备和DTX的发射功率，σ²表示复加性高斯白噪声，h_IR∈C^M×1表述IRS到DRX的反射信道，h_TR∈C和h_CR∈C分别表示DTX到DRX的直接信道和CU设备到DRX的直接信道，h_IE∈C^M×1表示IRS到EVE的反射信道，h_CE∈C和h_TE∈C分别表示CU设备到EVE的直接信道和DTX到EVE的直接信道。

步骤S102：根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b。

在本申请一个实施例中，根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b可以是：根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，按照如下公式计算CU设备的安全率C^b：

C^b＝[log₂(1+γ^b)-log₂(1+γ^e)]⁺，其中，[]⁺表示对[]中的变量x按照[x]⁺＝max(0，x)取值。

步骤S103：以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。

具体地，由于目标是要在满足DTX和CU设备最大发射功率的约束和D2D链路最小SINR要求的情况下，最大化CU设备的安全率，因此，步骤S103的实现可以是：建立以DTX的发射功率取得最大值和CU设备的发射功率取得最大值为约束条件的待优化问题；通过对待优化问题的转换，采用块坐标下降法分别对波束赋形矢量w进行优化、对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化或者对相移矩阵Φ进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b。

在本申请实施例中，建立以DTX的发射功率取得最大值和CU设备的发射功率取得最大值为约束条件的待优化问题可以表示为：

(P1):

s.t.

w^Hw＝1,

上述待优化问题P1中，s.t.表示约束条件，

和

分别表示CU设备和DTX的最大发射功率，

表示D2D对所需最小的SINR。进一步地，为了处理上述待优化问题P1，可以构建一个预定义参数

作为EVE的SINR阈值，它限制了窃听CU设备的非法用户EVE的可容忍最大信息泄漏，待优化问题P1等价转换为：

(P2):

约束条件：s.t.

w^Hw＝1，

由于待优化问题P2中多个优化变量的耦合效应，不能直接得到最优解，因此，可以进一步通过对待优化问题待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法分别对波束赋形矢量w进行优化、对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化或者对相移矩阵Φ进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b。

首先说明通过对待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法对波束赋形矢量w进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b，具体可以是：将待优化问题P2等价转换为待优化问题P3：

约束条件：s.t.w^Hw＝1

其中，h_C＝GΦh_CI+h_CB和h_D＝GΦh_TI+h_TB；由于待优化问题P3是一个瑞利商最大化问题，因此，可以按照如下公式计算待优化问题P3的最优解：

在本申请实施例中，通过对待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法分别对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b，具体可以是：将待优化问题P2等价转换为待优化问题

P4：

约束条件(9b)至(9e)即：s.t.

其中，H_c1＝|w^H(GΦh_CI+h_CB)|²，H_d1＝|w^H(GΦh_TI+h_TB)|²，

根据线性函数l₁和l₂与P^c和P^d上界的交点，当L_y1≥L_y2并且

时，计算得到P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到P^c和P^d的最优解

当L_y1≤L_y2并且

时，计算得到P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到P^c和P^d的最优解

其中，

以下详细说明上述实施例的通过对待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b：

基于约束条件(9d)和(9e)，可以得到

结合(9b)、(9c)、(10)和(11)可得功率的可行解区域由l₁、l₂、x轴、P^c和P^d的上界构成，其中，l₁、l₂是(10)和(11)的线性函数，如附图3所示。

l₁和l₂与P^c和P^d上界的交点分别为

和

其中，

由(9a)中R^b表达式

可知，R^b随CU设备的发射功率P^c增大而单调递增，随D2D发送端的功率P^d增大而减小，故图3中的阴影区域为有界闭凸集。因此，最优解在区域边界的端点处取得。

当L_y1≥L_y2并且

时，如图3的子图(a)所示，最优解处于l₂和D2D发送端的功率P^d上界的交点，此时功率分配的最优解为：

当

时，如图3的子图(b)所示，最优解处于l₂和CU发送功率P^c上界的交点，此时功率分配的最优解为：

当L_y1≤L_y2并且

时，如图3的子图(c)所示，最优解处于l₁和D2D发送端的功率P^d上界的交点，此时功率分配的最优解为：

当

时，如图3的子图(d)所示，最优解处于l₂和CU发送功率P^c上界的交点，此时功率分配的最优解为：

在本申请实施例中，通过对待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法对相移矩阵Φ进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b，具体可以是：将上述待优化问题P2等价转换为待优化问题

(P9):

其中，

对V进行特征值分解，得到V＝UΣU^H；

生成均值为0且协方差矩阵为单位矩阵的复高斯随机向量r∈C^(M+1)×1，令

在生成的所有高斯随机向量中寻找使目标函数值最大的r，解算出此时

其中，[x]_(1：M)表示向量x中含M个元素。

以下详细说明上述实施例的通过对待优化问题P2进行转换，采用块坐标下降法相移矩阵Φ进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b：

在对相移矩阵Φ进行优化时，首先可将等价转换为待优化问题：

(P5):

约束条件(16a)至(16c)即：s.t.

其中，

CU设备的SINR可以表示为：

同理，D2D链路的SINR可以表示为：

其中，

EVE的SINR可以表示为：

其中

基于表达式(18)和(19)，表达式(16)和(17)可以表示成

因此，待优化问题P5可以等价转换为待优化问题：

(P6):

约束条件即(20)、(21)和(22b)即：s.t.(20),(21)

接下来采用替代函数

取代(22a)，p为辅助变量，注意到F(p,γ^b)是一个关于p的凸函数，令F(p,γ^b)对γ^b的一个一阶偏导为0求得p＝γ^b，将p＝γ^b带入F(p,γ^b)可将待优化问题P6等价转换为待优化问题：

(P7):

约束条件为s.t.(20)、(21)和(22b)

将表达式(17)中γ^b的信干噪比表达式代入

得

通过分式规划中的二次变化，将

再次改写为：

其中，q为辅助变量，q最优解可通过对其进行一阶偏导获得。q的最优解为：

固定q的值并展开(26)中的二次项可得：

其中，

采用同样的方法，表达式((20)和(21)可以等价转换为：

θ^HA₂θ+2Re{u₂θ}+δ₂≤0 (28)

θ^HA₃θ+2Re{u₃θ}+δ₃≤0 (29)

其中，

去掉常数项，待优化问题P7可等价转换为待优化问题：

(P8):

s.t.(22b),(28),(29)

待优化问题P8是一个二次约束二次规划问题。由于约束条件(22b)的非凸性，接下来采用SDR进行求解。令

V满足半正定且秩为1，则待优化问题P8等价转换为：

(P9):

s.t.

[V_n,n]＝1,n＝1,2,Λ,M (31d)

其中，

由于待优化问题P9是一个凸的半正定规划问题，可通过CVX等凸优化工具有效求解。为满足求解出的V需要满足秩为1的限制条件，还需通过高斯随机法做如下处理，首先，对V做特征值分解，即V＝UΣU^H，然后，生成均值为0且协方差矩阵为单位矩阵的复高斯随机向量r∈C^(M+1)×1，令

在生成的所有高斯随机向量中找出使目标函数值最大的r，最后求出

其中，[x]_(1:M)表示向量x中含M个元素。

从上述附图1示例的提升D2D通信安全的方法可知，一方面，将D2D通信与IRS相结合，D2D复用CU设备的频率，提高系统频率利用率，IRS可以用于增强期望的信号和抑制干扰信号，充分发挥两者的优势；另一方面，不同于现有技术通过协同干扰或引入人工噪声的方法来提高安全通信，本申请提出通过D2D、CU设备和IRS的共同作用来提高系统的安全率，对CU设备的安全率进行优化的同时满足D2D链路的速率要求，通过引入IRS能增加对非法用户的干扰、降低对合法用户的干扰，因此，能够更加有效地提高CU设备的通信安全。

以下算法1是对通过对待优化问题进行转换，采用块坐标下降法分别对波束赋形矢量w进行优化、对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化或者对相移矩阵Φ进行优化，以最大化CU设备的安全率C^b的说明：

请参阅图4，是对系统的仿真设置示意图，以下表1是仿真参数：

在图4中，CU设备以半径为R1的圆随机分布在BS的周围，D2D以半径为R2的半圆随机分布在IRS左侧周围。BS和IRS的水平距离为D，EVE和IRS的水平距离为d，系统的带宽设定为1。D2D链路所要求的最小信干噪比为

D2D链路、DTX至IRS的链路以及其它链路的路径损耗系数分别为2、2.2、和2.8。最大的发射功率参数为

除非特殊说明，仿真参数如表1所示：路径损耗为：

其中，d_IB、d_Ii、d_Tj和d_Ck分别为IRS至BS的链路的长度、IRS至其他接收者的链路的长度、DTX至其他接收者的链路的长度和CU设备至其他接收者的链路的长度，α为路径损耗系数，G₀＝-30dB是参考距离D₀＝1m时的路径损耗，则对应信道可表示为：

其中γ，ν，Γ，ψ皆为均值为0，协方差矩阵为单位阵的复高斯随机向量。

请参阅图5，研究了IRS包含不同反射单元数量下所提出算法的收敛性。从图5可以观察到当反射单元的数量分别为M＝10、M＝20和M＝30时，CU设备的安全率在前几次的迭代中随着迭代次数的增加而明显提高，在4次迭代中CU设备的安全率快速提升，随后达到一个稳定的值，由此证明了所提出的BCD算法具有很好的收敛性。

请参阅图6，比较了随着IRS包含的反射单元数量增加，CU设备的安全率的变化情况。三条曲线从上到下分别是经过优化后的系统、IRS相移随机的系统以及不含IRS的系统，CU设备的安全率随IRS包含的反射单元数量增加的变化曲线。从图6可以观察出，所提出优化算法的安全率比相移随机系统和不含IRS的系统要高。基于图4示例的仿真设置，当IRS包含的反射单元的数量为10时，所提出BCD算法得到的CU设备的安全率分别比相移随机策略和不含IRS策略提高大约41.7％和52.1％。此外，随着IRS包含的反射单元数量的增加，所提出算法的安全率也随之增加，其原因在于通过优化相移矩阵，IRS的无源波束赋形被充分利用于提高BS处的期望信号和增加对EVE的干扰信号。

请参阅图7，比较了随着CU设备和DTX最大发射功率的增加CU设备的安全率的变化情况。三条曲线从上到下分别是经过优化后的系统、IRS相移随机的系统以及不含IRS的系统，CU设备的安全率随最大发送功率增加的变化曲线。从图7可以看出，相比于不含IRS系统的保密率，所提出的BCD算法的保密率有明显增强。另外，所提出的BCD算法比没有优化相移矩阵的策略在安全率性能上要更好，这表明所提出算法的优势。基于图4示例的仿真设置，当最大发送功率为15dB时，所提出BCD算法得到的CU设备的安全率分别比相移随机策略和没有IRS策略提高大约27.3％和34.5％。此外，从图7可知，随着CU设备和DTX最大发射功率的增加，所提出算法的保密率也增加，其原因在于通过优化功率分配和相移矩阵，所期望的信号和干扰信号都分别反射至BS和EVE。

请参阅图8，比较了随着IRS至EVE的水平距离的增加，CU设备的安全率的变化情况。三条曲线从上到下分别是经过优化后的系统、IRS相移随机的系统以及不含IRS的系统，CU设备的安全率随IRS至EVE的水平距离的增加的变化曲线。从图8可以观察出，所提出的优化算法得到的CU设备的安全率比相移随机系统和不含IRS的系统要高。基于图4示例的仿真设置，当IRS至EVE的水平距离为60m时，所提出BCD算法得到的CU设备的安全率分别比相移随机策略和不含IRS策略提高大约28.8％和36.9％。此外，从图8可知，随着IRS至EVE的水平距离的增加，所提出算法得到的CU设备的安全率随之减少，其原因在于，增加IRS至EVE的水平距离会导致通过IRS的反射路径中路径损耗的增加和功率增益的减少，而在DTX直接信道和IRS反射信道的通信链路中，增加IRS至EVE的水平距离会导致D2D对(包括一对DTX和DRX)对EVE的干扰会减少。

请参阅附图9，是本申请实施例提供的一种提升D2D通信安全的装置，可以包括确定模块901、计算模块902和优化模块903，详述如下：

确定模块901，用于根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；

计算模块902，用于根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b；

优化模块903，用于以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。

从图9示例的提升D2D通信安全的装置可知，一方面，将D2D通信与IRS相结合，D2D复用CU设备的频率，提高系统频率利用率，IRS可以用于增强期望的信号和抑制干扰信号，充分发挥两者的优势；另一方面，不同于现有技术通过协同干扰或引入人工噪声的方法来提高安全通信，本申请提出通过D2D、CU设备和IRS的共同作用来提高系统的安全率，对CU设备的安全率进行优化的同时满足D2D链路的速率要求，通过引入IRS能增加对非法用户的干扰、降低对合法用户的干扰，因此，能够更加有效地提高CU设备的通信安全。

请参阅图10，是本申请一实施例提供的设备的结构示意图。如图10所示，该实施例的设备10主要包括：处理器100、存储器101以及存储在存储器101中并可在处理器100上运行的计算机程序102，例如提升D2D通信安全的方法的程序。处理器100执行计算机程序102时实现上述提升D2D通信安全的方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S101至S103。或者，处理器100执行计算机程序102时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图9所示确定模块901、计算模块902和优化模块903的功能。

示例性地，提升D2D通信安全的方法的计算机程序102主要包括：根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b；以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。计算机程序102可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器101中，并由处理器100执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序102在设备10中的执行过程。例如，计算机程序102可以被分割成确定模块901、计算模块902和优化模块903(虚拟装置中的模块)的功能，各模块具体功能如下：确定模块901，用于根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；计算模块902，用于根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b；优化模块903，用于以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。

设备10可包括但不仅限于处理器100、存储器101。本领域技术人员可以理解，图10仅仅是设备10的示例，并不构成对设备10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，例如计算设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器100可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器101可以是设备10的内部存储单元，例如设备10的硬盘或内存。存储器101也可以是设备10的外部存储设备，例如设备10上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器101还可以既包括设备10的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器101用于存储计算机程序以及设备所需的其他程序和数据。存储器101还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即，将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块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。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

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申请的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，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装置，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。

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，在本申请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。

集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个非临时性计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，提升D2D通信安全的方法的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤，即，根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；根据CU设备的信干噪比γ^b和EVE的信干噪比γ^e，计算CU设备的安全率C^b；以CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、DTX的发射功率取得最大值以及CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化CU设备的安全率C^b。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。非临时性计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读内存(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，非临时性计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，非临时性计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提升D2D通信安全的方法，其特征在于，所述方法包括：

根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；

根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b；

以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b；

所述根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e，包括：根据所述CU设备的发射功率、DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、DRX、BS、IRS和EVE之间的信道，按照如下公式计算所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e：

和

所述w∈C^N×1表示所述BS接收到的归一化波束赋形向量，所述G∈C^N×M、h_CI∈C^M×1和h_TI∈C^M×1分别表示所述IRS到所述BS的反射信道、所述CU设备到所述IRS的反射信道和所述DTX到所述IRS的反射信道，所述

表示所述IRS包含的M个反射单元的对角相移矩阵，所述θ_i表示第i个所述反射单元引起的相移，所述h_CB∈C^N×1和h_TB∈C^N×1代表所述CU设备到所述BS、所述DTX到所述BS的直接信道，所述P^c和P^d分别表示所述CU设备和DTX的发射功率，所述σ²表示复加性高斯白噪声，所述h_IR∈C^M×1表示所述IRS到所述DRX的反射信道，所述h_TR∈C和h_CR∈C分别表示所述DTX到所述DRX的直接信道和所述CU设备到DRX的直接信道，所述h_IE∈C^M×1表示所述IRS到所述EVE的反射信道，所述h_CE∈C和h_TE∈C分别表示所述CU设备到所述EVE的直接信道和所述DTX到所述EVE的直接信道；

所述根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b，包括：根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，按照如下公式计算所述CU设备的安全率C^b：C^b＝[log₂(1+γ^b)-log₂(1+γ^e)]⁺，所述[]⁺表示对[]中的变量x按照[x]⁺＝max(0，x)取值；

所述以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：建立以所述DTX的发射功率取得最大值和所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件的待优化问题；通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法分别对波束赋形矢量w进行优化、对所述CU设备的发射功率P^c和所述DTX的发射功率P^d进行优化或者对相移矩阵Φ进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b；

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对波束赋形矢量w进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题P3：

约束条件：w^Hw＝1

所述h_C＝GΦh_CI+h_CB和h_D＝GΦh_TI+h_TB；

按照如下公式计算所述待优化问题P3的最优解：

或者

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题P4：

约束条件：

所述H_c1＝|w^H(GΦh_CI+h_CB)|²，H_d1＝|w^H(GΦh_TI+h_TB)|²，

根据线性函数l₁和l₂与所述P^c和P^d上界的交点，当L_y1≥L_y2并且

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当L_y1≤L_y2并且

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

所述

所述

所述

所述

；

或者

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对相移矩阵Φ进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题

所述

对所述V进行特征值分解，得到V＝UΣU^H；

生成均值为0且协方差矩阵为单位矩阵的复高斯随机向量r∈C^(M+1)×1，令

在生成的所有高斯随机向量中寻找使目标函数值最大的r，解算出此时

所述[x]_(1：M)表示向量x中含M个元素。

2.一种提升D2D通信安全的装置，其特征在于，所述装置包括：

确定模块，用于根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e；

计算模块，用于根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b；

优化模块，用于以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b；

所述根据蜂窝用户CU设备的发射功率、D2D对发送端DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、D2D对接收端DRX、基站BS、智能反射表面IRS和非法用户设备EVE之间的信道，确定所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e包括：根据所述CU设备的发射功率、DTX的发射功率以及所述CU设备、DTX、DRX、BS、IRS和EVE之间的信道，按照如下公式计算所述CU设备的信干噪比γ^b、D2D链路的信干噪比γ^d和EVE的信干噪比γ^e：

和

所述w∈C^N×1表示所述BS接收到的归一化波束赋形向量，所述G∈C^N×M、h_CI∈C^M×1和h_TI∈C^M×1分别表示所述IRS到所述BS的反射信道、所述CU设备到所述IRS的反射信道和所述DTX到所述IRS的反射信道，所述

表示所述IRS包含的M个反射单元的对角相移矩阵，所述θ_i表示第i个所述反射单元引起的相移，所述h_CB∈C^N×1和h_TB∈C^N×1代表所述CU设备到所述BS、所述DTX到所述BS的直接信道，所述P^c和P^d分别表示所述CU设备和DTX的发射功率，所述σ²表示复加性高斯白噪声，所述h_IR∈C^M×1表示所述IRS到所述DRX的反射信道，所述h_TR∈C和h_CR∈C分别表示所述DTX到所述DRX的直接信道和所述CU设备到DRX的直接信道，所述h_IE∈C^M×1表示所述IRS到所述EVE的反射信道，所述h_CE∈C和h_TE∈C分别表示所述CU设备到所述EVE的直接信道和所述DTX到所述EVE的直接信道；

所述根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，计算所述CU设备的安全率C^b，包括：根据所述CU设备的信干噪比γ^b和所述EVE的信干噪比γ^e，按照如下公式计算所述CU设备的安全率C^b：C^b＝[log₂(1+γ^b)-log₂(1+γ^e)]⁺，所述[]⁺表示对[]中的变量x按照[x]⁺＝max(0，x)取值；

所述以所述CU设备、DTX、DRX、BS和IRS之间通信时所述D2D链路的信干噪比γ^d取得最小值、所述DTX的发射功率取得最大值以及所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件，最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：建立以所述DTX的发射功率取得最大值和所述CU设备的发射功率取得最大值为约束条件的待优化问题；通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法分别对波束赋形矢量w进行优化、对所述CU设备的发射功率P^c和所述DTX的发射功率P^d进行优化或者对相移矩阵Φ进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b；

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对波束赋形矢量w进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题P3：

约束条件：w^Hw＝1

所述h_C＝GΦh_CI+h_CB和h_D＝GΦh_TI+h_TB；

按照如下公式计算所述待优化问题P3的最优解：

或者

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对CU设备的发射功率P^c和DTX的发射功率P^d进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题P4：

约束条件：

所述H_c1＝|w^H(GΦh_CI+h_CB)|²，H_d1＝|w^H(GΦh_TI+h_TB)|²，

根据线性函数l₁和l₂与所述P^c和P^d上界的交点，当L_y1≥L_y2并且

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当L_y1≤L_y2并且

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

当

时，计算得到所述P^c和P^d的最优解

所述

所述

所述

所述

；或者

所述通过对所述待优化问题进行转换，采用块坐标下降法对相移矩阵Φ进行优化，以最大化所述CU设备的安全率C^b，包括：

将所述待优化问题等价转换为待优化问题

所述

对所述V进行特征值分解，得到V＝UΣU^H；

生成均值为0且协方差矩阵为单位矩阵的复高斯随机向量r∈C^(M+1)×1，令

3.一种提升D2D通信安全的设备，所述设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。

4.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。

Images