[发明专利]保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

对于无线通信网络，频谱资源是珍贵且有限的资源，但随着无线通信技术的发展，频谱资源的需求也随之加大，现有的固定频谱分配策略越来越不适用。为了提高频谱利用率、缓解频谱需求，认知无线电概念应运而生。认知无线电网络支持不同的共存模式来实现频谱共用，其中之一即为频谱共享模式，具体为认知无线电网络允许次要用户和主要用户同时使用相同频段，但是次要用户发射端需要调整发射功率，以保证对主要用户接收端的干扰功率不超过其能容忍的门限值。

无线传输媒介的开放性使得信道易于被窃听，因此对于任何无线通信系统，安全问题的考量都是不可避免的。近年来，物理层安全技术随着无线通信系统物理层资源的日益丰富不断发展，认知无线电网络的安全问题也逐渐成为关注的热点，“Achievable Secrecy Capacity in an Underlay Cognitive Radio Network”(频谱共享模式认知无线电网络的保密容量研究)【2014IEEE Conference on Communications and Network Security(CNS),Oct.2014,pp.1-6.】一文就解决了一个单入多出频谱共享模式认知无线电网络的保密容量计算问题。

多元化的QoS(服务质量)要求同安全问题一样，在新一代无线通信网络传输中起着至关重要的作用。对于许多对时延敏感的多媒体应用中，时延保证是一个非常有意义的QoS参数。事实上，由于衰落信道的时变性，统计时延QoS约束比确定性时延QoS约束更适用于上述多媒体应用。“Effective capacity analysis of cognitive radio channels for quality of service provisioning”(认知无线电信道中基于QoS保证的有效容量分析)【IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.9,no.11,pp.3354-3364,Nov.2010.】就曾借助有效容量模型这一研究无线传输统计QoS性能的有效技术，探讨了基于统计时延QoS约束条件下认知无线电系统的性能，但是，它并没有考虑如何同时保证系统的安全性。

专利CN103826219A曾于2014年5月28日公布了一种保证时延QoS要求的保密系统功率分配方法，该发明方法提出了安全有效容量的概念，并以安全有效容量模型为基础，通过跨层联合优化实现了在满足不同时延QoS限制下，传统三节点保密系统的性能最优以及资源利用的最大化。但是现有的文献中还没有探讨过如何在认知无线电网络中兼顾系统安全性与时延QoS要求的方法。

发明内容

为了弥补现有研究存在的不足，本发明提供了一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法。本发明从功率高效使用的角度，借助安全有效容量模型，在安全认知无线电网络中通过跨层联合优化实现了用户服务质量的需求，并且能自适应地调整发射功率以减少功率浪费，达到高效利用有限的物理层资源的目标。

本发明的技术方案如下：

一种保证时延QoS要求的安全认知无线电网络功率分配方法，由以下通信系统来实现，该系统包括次要用户发射端、次要用户接收端、主要用户接收端、窃听端四个通信节点，通信机制为认知无线电网络频谱共享模式，即次要用户发射端向次要用户接收端发送信号，窃听端在这个过程中对信号进行窃听，同时次要用户发射端发射的信号会对主要用户接收端造成一定的功率干扰，在平均发射功率与平均和峰值干扰功率限制条件下，物理层根据信道状态的变化以及上层用户QoS的要求进行动态功率分配，使得通信系统在能够保证时延QoS的前提下完成保密通信，该方法具体步骤如下：

1)在不考虑时延QoS时计算安全认知无线电网络的瞬时保密速率

设次要用户发射端与主要用户接收端之间的信道为主要信道，次要用户发射端与次要用户接收端之间的信道为次要信道，次要用户发射端与窃听端之间的信道为窃听信道，g_p、g_s和g_e分别是主要信道、次要信道和窃听信道的瞬时信道功率增益，P是次要用户发射端的瞬时发射功率，当g_s＞g_e，即次要信道的信道状态优于窃听信道的信道状态时，次要用户发射端与次要用户接收端之间可以进行保密通信，瞬时保密速率R_sec根据下式计算：