[发明专利]一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统及其通信方法

权利要求书

1.一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统，其特征在于：包括全双工基站FD-BS、半双工蜂窝用户CU、半双工D2D发送者DT、半双工D2D接收者DR和半双工窃听者Willie；

所述的半双工通信终端均为单天线，所述全双工基站FD-BS具有M个接收天线和N个发送天线，全双工基站FD-BS利用同一频谱资源同时发送和接收信息，其存在的剩余自干扰RSI为噪声级别；

所述半双工蜂窝用户CU的上行链路和下行链路均采用正交的频谱资源，且相互之间不存在干扰；所述半双工D2D发送者DT和半双工D2D接收者DR组成D2D通信链路，且与半双工蜂窝用户CU的上行通信链路共享频谱资源；

所述半双工窃听者Willie采用检测器对D2D通信链路进行监听，探测其是否进行隐蔽信号的传送；

上述系统中存在八条通信链路，包括三条期望通信链路、一条窃听链路DT-Willie和四条干扰链路；三条期望通信链路分别为蜂窝通信链路CU→BS、D2D通信链路DT→DR和人工噪声通信链路FD-BS→Willie；四条干扰链路分别为CU→Willie、CU→DR、DT→FD-BS和FD-BS→DR；

上述D2D隐蔽通信系统的通信方法，包括以下步骤：

(1)构建具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型，并对系统各通信链路参数进行配置和初始化，即：D2D发送者DT发送隐蔽信号至D2D接收者DR；半双工蜂窝用户CU发送蜂窝信号至全双工基站FD-BS，同时全双工基站FD-BS发送时变的人工噪声信号至窃听者Willie；窃听者Willie对D2D通信链路是否进行隐蔽信号的传送进行监听和探测；

(2)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的隐蔽性，并以窃听者Willie接收端的平均最小错误检测概率AMEP作为衡量标准，然后根据全双工基站FD-BS的发送天线N的个数为单个和多个来分别计算其对应的AMEP；

(3)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的吞吐量，即：通过建立吞吐量计算模型，然后根据全双工基站FD-BS的接收和发送天线个数，最终通过优化搜索算法求得吞吐量；所述步骤(1)中建立具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的具体方法为：

(1.1)全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线之间的剩余自干扰RSI为噪声级别，其功率建模为其中ρ为剩余自干扰RSI衡量系数，为全双工基站FD-BS接收到的噪声功率；全双工基站FD-BS发送的人工噪声功率服从均匀分布；

(1.2)当全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线满足N＝M＝1时，发送的人工噪声信号将干扰窃听者Willie对D2D通信链路的检测，同时将对接收者DR的信号接收产生干扰；当N≥2时，对人工噪声信号进行设计，消除对接收者DR的干扰，且当全双工基站FD-BS的接收天线M≥2，可减小蜂窝通信链路的中断概率，从而提高吞吐量；

所述步骤(2)中窃听者Willie的平均最小错误检测概率AMEP的计算方法为：

其中，P_e和P_e(N)为窃听者Willie的错误检测概率，τ为窃听者Willie的检测阈值；基于D2D的发送者DT和全双工基站FD-BS无法获取检测阈值τ的数值，考虑最小错误检测概率和h_bw和h_bw分别为全双工基站在发送天线N＝1和N≥2时通信链路FD-BS→Willie的小规模信道衰落参数；h_tw为通信链路DT→Willie的小规模信道衰落参数；

根据全双工基站FD-BS的发送天线N＝1和N≥2时，分别采用以下的计算方法：

(2.1)当全双工基站FD-BS的发送天线N＝1时，窃听者Willie的错误检测概率满足P_e＝P_FA+P_MD；P_FA为窃听者Willie的虚警概率，其计算公式为P_MD为窃听者Willie的漏警概率，其计算公式为H₀表示D2D通信链路未进行隐蔽信号的传送，H₁表示D2D通信链路有隐蔽信号的传送；Y_w为窃听者Willie在单个块内收到的信号功率的平均值；P_c，P_b和P_t分别为蜂窝信号，人工噪声信号和D2D隐蔽信号的发送功率；h_cw，L_cw为CU→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tw，L_tw为DT→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_bw，L_bw为FD-BS→Wiliie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；大规模衰落参数为L_ij＝(d₀/d_ij)^α,其中d₀为参考距离，α为路径损耗因子，d_ij为通信端点i和通信端点j之间的距离，i表示{t,b,c}，j 表示{b,r,w}；τ为窃听者Willie的检测阈值，为窃听者Willie接收的噪声功率；

通过计算上述虚警概率P_FA和漏警概率P_MD以及P_e＝P_FA+P_MD，可得错误检测概率为以下两种情况：

或

其中，式中各参数分别为P_max为人工噪声的最大发送功率；

上述两种情形下的最小错误检测概率分别为：当ω₂≥ω₃时，min(P_e)＝1-P_tL_tw|h_tw|²/P_maxL_bw|h_bw|²；当ω₂≤ω₃时,min(P_e)＝0；对公式(1)进行分析，转化为计算得出平均最小错误检测概率AMEP为

(2.2)当全双工基站FD-BS的发送天线N≥2时，窃听者Willie的相应虚警概率为：窃听者Willie的漏警概率为

其中，h_bw为全双工基站FD-BS和窃听者Willie之间的小规模衰落向量；x_b＝W_ANx_AN为人工噪声信号，将其设计为W_ANh_br＝0，W_AN为权重向量，h_br为全双工基站FD-BS和接收者DR之间小规模衰落向量，且||h_bwx_b||²＝||h_bwW_AN||²/(N-1)；此时的错误检测概率P_e(N)等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，求解其对应的最小错误检测概率为：当ω₅≥ω₆时，min[P_e(N)]＝1-P_tL_tw|h_tw|²(N-1)/P_maxL_bw||h_bwW_AN||²；当ω₅≤ω₆时，min[P_e(N)]＝0；其中此时，将公式(1)展开为计算得出平均最小错误检测概率AMEP为：

其中，Λ＝P_maxL_bw/P_tL_tw；

所述步骤(3)中吞吐量的详细计算方法为：

(3.1)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N＝M＝1时，吞吐量的计算公式为：

其中，为平均最小错误检测概率AMEP，ε为允许的错误检测概率，P_t为D2D通信链路隐蔽信号的发送功率，θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)为D2D通信链路可实现的平均通信速率，R_d为D2D通信链路需求的通信速率，P_co为蜂窝通信链路的中断概率，P_do为D2D通信链路的中断概率，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率；首先，计算蜂窝通信链路的中断概率为P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，其中，为蜂窝通信链路的信号与干扰加噪声比SINR，为全双工基站FD-BS的剩余自干扰RSI功率，为全双工基站FD-BS收到的噪声功率，h_cb，L_cb为CU→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tb，L_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；然后，计算D2D通信链路的中断概P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，其中，为接收者DR的噪声功率，h_tr，L_tr为DT→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_cr，L_cr为CU→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_br，L_br为FD-BS→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；通过计算可知，蜂窝通信链路和D2D通信链路的中断概率分别为：

基于公式θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，得

2)求解吞吐量；根据给定的允许错误检测概率ε，公式(2)中AMEP是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调递减函数，计算公式求解发送者DT的可获得的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率；采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，获得隐蔽信号的最优发送功率使得公式(5)取得最大值，即求得吞吐量；

(3.2)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N≥2，M≥2时，吞吐量的计算采用如下公式：

其中，θ_d(M)为此种情形下可实现的平均通信速率，为相应的平均最小错误检测概率AMEP，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率θ_d(M)＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，蜂窝通信链路SINR为其中h_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数向量， 由P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，可计算蜂窝通信链路的中断概率式中W(*)为蕙特克函数，D2D通信链路的信噪比SNR为由P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，可得可得可实现的平均通信速率为：

2)当全双工基站FD-BS的发送天线N→∞时，求得平均最小错误检测概率的极限值为是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调函数；根据允许的错误检测概率ε，计算公式可得发送者DT的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)；进一步采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，求解隐蔽信号的最优发送功率使得公式(7)取得最大值，即吞吐量；否则，在区间(0，P_tmax]区间内满足的前提下，求解隐蔽信号的最优发送功率使得公式(7)取得最大值，即吞吐量，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率。