[发明专利]基于统计QoS保障的D2D异构蜂窝安全传输方法

说明书

本发明公开了一种基于统计QoS保障的D2D异构蜂窝安全传输方法，包括步骤：建立非凸的优化问题，所述优化问题旨在最大化蜂窝链路和D2D链路的有效容量之和并受限于以下约束条件：a)、D2D用户发射机的时延敏感安全；b)蜂窝用户发射机的平均和峰值发射功率限制；c)D2D用户发射机的平均和峰值发射功率限制；步骤2、对非凸的优化问题求解，寻找使得蜂窝链路和D2D链路的有效容量之和最大化的蜂窝用户发射机的发射功率P_c(h,θ)和D2D用户发射机的发射功率P_d(h,θ)；蜂窝用户发射机的发射功率P_c(h,θ)和D2D用户发射机的发射功率P_d(h,θ)是非凸的优化问题的最优解，作为D2D异构蜂窝网络的功率分配方案。相比于固定功率方案和蜂窝用户常功率发射方案，应用该方案的整个异构网络的和有效容量更大。

技术领域

本发明属于5G网络中物理层安全传输技术领域，特别涉及一种基于统计QoS保障的 D2D异构蜂窝安全传输方法。

背景技术

为了实现下一代无线通信网络(5G无线通信网络)的非常有吸引力的系统性能，近些年来，关于5G的通信技术得到了来自工业界和学术界的广泛关注。5G的关键技术的演进表现在通过提高不同的系统性能指标，例如：频谱效率、QoS(服务质量)和信息的安全传输等等。5G网络中的频谱效率可以通过在频域/时域/空域中提高。因为D2D(Device-to-Device) 通信是复用蜂窝用户的频谱资源并且允许两个物理距离很近的设备不通过基站直接进行通信，所以D2D通信可以提高频域和空域的频谱效率。然而，正因为D2D用户复用的是蜂窝用户频谱资源，这就要求D2D用户之间不仅能够高质量的通信，而且D2D用户的通信不能影响蜂窝用户之间的通信质量，为此，需要为5G网络保护不同用户的不同QoS要求。传统的QoS保障可以划分为两大类：他们分别是针对实时的无线服务的确定的时延门限和相同的时延QoS保障方案。由于无线信道的随机特性，通常很难保证确定的时延门限QoS要求。再者，不同用户可能有不同的QoS要求，这个要求的跨度范围很宽泛，从非常松散的要求到非常严格的要求，这是确定时延门限的方法所不能保障的。然而，相同统计时延QoS保障方案假定我们逐个地处理每个链路的QoS保障要求。然而，不同种类的服务对应着有区别的时延QoS要求，这些不同服务典型的共存于5G的混合无线通信网络中。具体来说，在D2D作为衬底共享蜂窝网络的上行频谱资源时，由于D2D链路和蜂窝链路的不同，为了支持他们各自的QoS保障，我们所面临的新的挑战是在不同的链路上为不同的服务同时提供不同的QoS 保障。

另一方面，由于无线环境的广播特性不能够阻止窃听者收到发射的信息，这使得信息安全的保护成为5G窃听网络中的有一个关键而且基本的难题。目前，在无线通信中，传统的信息安全技术可以分为两大类，他们分别是基于密码学应用于协议层的加密技术和基于信息论的应用于物理层的物理层安全技术。这两大现存的安全技术有各自的优缺点，这使得他们可以共存于无线网络中共同保障信息的安全传输。加密技术已经相当成熟了，然而，物理层安全技术在近几年来得到了飞速的发展。在物理层，主要是通过保密容量来评估系统的安全性能，这实际上是用单一的度量去保证可靠性和安全性的。换句话来说，保密容量是同时要求完美安全和可靠性的。然而，在实际的无线通信系统中，例如，在5G的无线通信网络中，这种度量不能精确反应时延敏感安全要求，原因如下：首先，高度随机变化的无线环境不能总是保障一个正的保密容量，使得合法用户会失去一些发射机会，导致发射速率会降低。其次，蜂窝用户和D2D用户可能有不同的业务需求，或者这些用户在不同的时间，他们的业务需求不一样，这将产生不同的时延敏感安全要求。然而，仅仅使用保密容量是很难去描述不同的时延敏感安全要求的。因此，我们急需为窃听的5G无线网络找到一个新的方法去把信息安全和传输的可靠性分开，同时可以精确地描述不同的安全要求。

发明内容