[發明專利]全雙工中繼系統中基于功率分配的物理層安全控制方法

有效

• 申請號: 201710867315.X
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107819738B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 劉芳;張茹;劉元安
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L29/06
• 分類號: H04L29/06;H04W52/34
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 朱親林

1.一種全雙工中繼系統中基于功率分配的物理層安全控制方法，其特征在于，包括：

S1、基于系統的中繼節點工作于全雙工模式下，源節點與中繼節點可以同時發送信號，竊聽節點能夠同時接收源節點、中繼節點信號，構建系統的信號模型；

S2、根據構建的信號模型，建立系統源節點、中繼節點發送功率與系統安全容量的函數關系，所述函數關系為以源節點和中繼節點發送功率小于最大發送功率為約束條件，以系統安全容量最大化為目標的約束優化函數；

S3、在首先不考慮中繼節點發送功率約束條件下，獲取源節點最優發送功率表達式，將約束優化函數轉換為單變量約束優化函數求解問題；

S4、利用數值求解與二分法尋找最優中繼發送功率的可行解，得到中繼節點最優發送功率的表達式；

所述步驟S1中構建的信號模型，建立以源節點和中繼節點發送功率小于最大發送功率為約束條件具體包括：

源節點信號功率為E[|s(t)|²]＝q₁，源節點總發送功率小于等于系統允許的最大發送功率q_SP_S，q_S為源節點信號功率允許的最大值；中繼節點信號功率為E[|y_R(t)|²]＝E[|bs(t-1)|²]＝q₂，中繼節點總發送功率小于等于系統允許的最大發送功率q_RP_R，q_R為中繼節點信號功率允許的最大值；

式中P_S表征源節點處與發送功率有關的常量，P_R表征源節點處與發送功率有關的常量；得到源節點、中繼節點處功率約束條件表示為：

所述步驟S2中建立以源節點和中繼節點發送功率小于最大發送功率為約束條件，以系統安全容量最大化為目標的約束優化函數具體包括：

以系統安全容量最大化為目標，建立最優源節點、中繼節點發送功率的優化目標函數：

式中γ_D和γ_E為系統主鏈路和竊聽鏈路的端到端信干噪比，分別為：

式中γ_SR＝α_SRP_S/N₀，γ_RD＝α_RDP_R/N₀，γ_RE＝α_REP_R/N₀，γ_SE＝α_SEP_S/N₀，α_X＝|h_X|²(X:SR,RD,RE,SE)，其中h_SR，h_RD，h_RE，h_SE，分別為源節點-中繼節點、中繼節點-目的節點、中繼節點-竊聽節點和源節點-竊聽節點之間的傳輸信道；得到全雙工中繼系統中可以建立如下約束優化函數：

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中將約束優化函數轉換為單變量約束優化函數具體包括：

首先不考慮中繼發送功率的限制條件，為求極值，對于上述功率分配方案關于變量q₁進行單調性判斷，通過導函數可以判斷系統安全容量隨著變量q₁的增大而增大，于是變量q₁的最優分配方案為則約束優化函數可以轉換為單變量約束優化函數問題：

此時，系統主鏈路和竊聽鏈路的端到端信干噪比分別為：

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S4的利用二分法求解中繼節點最優發送功率具體包括：

前述約束優化函數是關于中繼節點發送功率的單變量無約束優化函數，利用對數函數單調性有優化目標函數的單調性與下列函數的單調性相同：

為求極值，對變量求一階導數并令一階導數為零，有

當λ＝0時，令上述表達式為零可直接求得中繼節點最優發送功率為：

當0＜λ≤1時，利用二分法求函數P(q₂,λ)＝0在區間[0,q_r]的解，該解為中繼節點最優發送功率；

式中，該函數中各變量為：