[发明专利]物理层安全约束下协同OFDMA系统功率控制方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种物理层安全约束下协同正交频分多址OFDMA系统的功率控制的方法，可用于无法保证中继节点通道安全性的通信环境。

背景技术

随着移动通信的飞速发展，一方面通信业务趋向宽带化、高速化和多样化；另一方面用户节点对无线通信服务的质量要求不断提高。为有效支持具有不同服务质量QoS要求的多样化宽带高速业务，并针对无线通信网络的动态性和无线资源紧缺性等本质特征，人们从不同层面提出了正交频分复用OFDM、协同通信等技术。

OFDM技术的基本思想是通过将高速串行数据变成低速并行数据，从而显著消除频率选择性衰落的影响，提高通信的有效性，它已成为现代无线通信领域最重要的关键技术之一。多址正交频分复用OFDMA是OFDM技术的演进，OFDMA系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址，频谱利用率高、抗多径能力强，现在OFDMA技术已经成为移动WiMAX及3GPP LTE主流的多址方案。另一方面，为了进一步提高无线信道的容量，并克服信道衰落的影响，人们提出了协同通信的概念。其基本思想是用户节点间通过共享彼此的天线，以无线中继节点的方式帮助邻居节点传输来形成一个虚拟的多天线阵列，从而达到提高系统吞吐量和可靠性的目的。现有的研究表明，协同通信基于中继节点信道理论获得空间分集增益,能提高通信的可靠性，同时协同通信通过将分布在各个节点上的资源进行重新配置和调整，在提高无线链路传输速率和质量、提供灵活的组网方式、改善无线资源管理等方面具有独特的技术优势。因此，人们已在IEEE802系列标准和下一代移动通信网络研究项目中采用协同通信技术。将OFDMA和协同通信相结合，能够进一步提高数据传输速率和通信可靠性，改善系统性能。因此将OFDMA技术和协同通信相结合已经成为当前一个新的研究热点，通常把基于OFDMA的协同无线网络称为协同OFDMA网络。

对于协同OFDMA网络而言，安全性是一个重要的问题，相对于传统的无线通信方式，协同通信方式提供了更多的资源开放方式，使得源节点信息、目的节点信息和中继节点自身信息在空间的暴露性大大增加，在一个协同OFDMA网络中，中继节点接收从源节点发来的信息，它一方面协助信息传输改善传输性能，另一方面也有可能对信息进行窃听并对系统安全造成威胁，因此协同通信网络物理层安全技术越来越受到人们的重视。物理层安全问题的首倡者是Wyner，他定义了安全容量即发送节点到目的节点的互信息量减去发送节点到窃听节点的互信息量，并将窃听者与发送节点间的信道建模为窃听信道，只有源节点与目的节点间的信道优于窃听信道时，才存在安全容量，否则为0。物理层安全约束即是指在安全容量存在的情况下进行传输。

在考虑到使通信信道优于窃听信道这一前提的同时，资源分配也是一个很重要的问题，它直接影响系统性能，这当中涉及中继节点、子载波和功率等资源的分配问题。而传统的资源分配算法鲜有考虑系统对物理层安全的要求，更没有考虑到中继节点窃听问题，不能保证用户信息的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种物理层安全约束下协同OFDMA系统功率控制方法，在保证物理层安全约束的情况下，提高用户的安全速率。

实现本发明的技术思路是，用户无论选择直传或者协同模式，都要在保证通信信道优于窃听信道的前提下进行用户子载波功率的分配，以获得最佳用户安全速率，同时引入代价函数，在保证信道安全容量的同时，抑制用户盲目的增加发送功率。其实现步骤包括如下：

（1）每个用户节点依次向所有中继节点和基站d发送探测信号，基站d接收到该探测信号后进行译码，当译码正确时，执行步骤（2），反之，执行步骤（5）；

（2）基站d向用户节点s_m和所有中继节点发送确认信息“1”，并向用户节点s_m发送s_m到基站d的信道状态信息CSI，用户节点s_m在接收到确认信息后，加入直传用户节点集

（3）对上述已选定直传模式的直传用户节点，设计直传效用函数