[發(fā)明專利]一種基于安全傳輸?shù)暮撩撞ㄔ茻o線接入網(wǎng)絡(luò)波束設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010149997.2
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111756424B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝萬明;趙少柯;孫鋼燦;趙飛
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州大學(xué);鄭州大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B7/024;H04B7/0426;H04W4/06;H04W52/14;H04W52/26;H04W52/32;H04W52/34;H04W52/42;H04W72/04;H04W72/08
• 代理公司: 河南大象律師事務(wù)所 41129
• 代理人: 尹周

1.一種基于安全傳輸?shù)暮撩撞ㄔ茻o線接入網(wǎng)絡(luò)波束設(shè)計方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一步：系統(tǒng)模型建立

在微波組播前向鏈路中，將從中央處理器CP到第l個基站的前向鏈路信道向量記為N表示CP的天線數(shù)量，從CP向基站集群發(fā)送的組播波束賦形,BF向量記為x₀是E{|x₀|²}＝1的組播信號，第l個基站接收到的信號如(1)所示，n_l是滿足CN(0,N₀)的獨立同分布的加性高斯白噪聲，CN(0,N₀)表示均值為0、方差為N₀的高斯分布：

將下行鏈路微波帶寬記為W_mc，則第l個基站可獲得的前向速率為：

由于前向組播速率受到最壞信道條件下的基站的限制，因此CP提供的前向速率為：

其中L＝{1,...,L}表示基站集合；

在毫米波接入鏈路中，第k個用戶的接收信號為：

其中表示從第L個基站到第k個用戶信道向量，表示從第l個基站到第k個用戶信道向量，表示基站集群發(fā)送的人工噪聲向量AN，假設(shè)q∈CN(0,Λ)，Λ表示需優(yōu)化的人工噪聲協(xié)方差矩陣，和x_k分別表示從第L個基站到第k個用戶的數(shù)字BF向量和第k個用戶所需的信號，和x_i分別表示除目標基站L外其他基站到第k個用戶的數(shù)字BF向量和信號，n_k是滿足獨立同分布的AWGN，是模擬BF，具體形式如(5)所示，其中表示由第l個基站設(shè)計的模擬BF向量，并且f_l的所有元素都具有相同的振幅但相位不同，即其中m∈M，M＝{1,...M}是每個基站的天線集合，f_l(m)表示f_l的第m個元素；

第k個用戶的非保密速率為：

W_mm表示毫米波帶寬；

采用具有C個散射簇的毫米波信道模型，其中每個散射簇都包括一條傳播路徑，因此，毫米波信道可以表示為：

其中表示第c條路徑的復(fù)數(shù)增益，是第c條路徑的到達方位角，表示天線陣列轉(zhuǎn)向矢量，具體形式如(11)所示，d和λ分別表示天線間距離和信號波長；

第二步：模擬波束設(shè)計

在實際中只能實現(xiàn)量化的相位，因此假定使用一個B-bit的量化移相器，并且F的非零元素應(yīng)屬于

其中φ表示相位；根據(jù)(5)，必須分別為L個基站設(shè)計模擬BF，對于第k個用戶，因此可以通過從(12)中適當(dāng)選擇最佳量化相位再次最大化數(shù)組第l個基站的模擬BF向量f_l的第m個角度如(13)所示，其中∠(.)表示角度：

于是，我們可以得到f_l(m)如(14)所示：

第三步：保密速率傳輸問題

首先，在總基站發(fā)射功率以及CP發(fā)射功率的約束下制定一個保密率最大化問題SRM，然后采用凸近似技術(shù)和半定規(guī)劃松弛對問題進行轉(zhuǎn)化，并采用迭代算法進行聯(lián)合優(yōu)化，利用半定規(guī)劃SDP松弛問題的原始和對偶最優(yōu)解，構(gòu)造原始問題的解決方案；

第三步保密速率傳輸問題中，所涉及的迭代SRM算法，具體步驟如下：

步驟一：總基站發(fā)射功率約束下的問題規(guī)劃

設(shè)計模擬BF后，可以得到第k個用戶的等效信道第z個竊聽者Eve的等效信道為表示從第k個用戶到Eve的信道增益，假設(shè)組播前向傳輸時間幀包括K個時隙，并且每個時隙用于將單個用戶的消息從CP傳輸?shù)絃個協(xié)作基站，假設(shè)幀長和第k個時隙長度分別為1和t_k，然后根據(jù)特定約束，第k個用戶的可實現(xiàn)容量必須小于CP為第k個用戶提供的前傳容量，因此可得到(15)，R_FH表示CP在最壞信道條件下提供的前向速率，表示用戶集：

根據(jù)(15)，可以得到約束(16)，其中表示第l個基站可獲得的前向速率：

最后，提出了最大化保密率的聯(lián)合BF和人工噪聲方差設(shè)計問題；

其中表示存在多個竊聽者時對用戶k的最大竊聽速率，s.t.表示約束條件，(17b)表示前傳容量約束，(17c)是L個協(xié)作基站的總發(fā)射功率約束，表示基站最大發(fā)射功率，(17d)表示CP發(fā)射功率約束，表示CP最大發(fā)射功率；

步驟二：問題(17)的轉(zhuǎn)化與解決

首先，將目標函數(shù)(17a)轉(zhuǎn)換為形式(18)：

其中，{β_k}和是引入的輔助變量，其形式如(19)所示：

然后定義BF矩陣和將問題(17)重新表述為問題(20)，問題(17)包括目標函數(shù)(17a)和約束條件(17b)(17c)(17d)，經(jīng)過簡化轉(zhuǎn)化為問題(20)，問題(20)包括目標函數(shù)(20a)和約束條件(20b)-(20h)，其中||Fv_k||²＝Tr(F^HFV_k)＝Tr(V_k)；

然而，由于(20a)，(20b)，(20c)，(20f)和(20h)的非凸性，問題(20)難以解決，首先將變換(20b)變換為凸約束，通過引入輔助變量{ε_k}，可以得到如下變換：

β_kε_k的上界如(22)所示，和表示β_k和ε_k的第n次迭代：

因此可以將(21a)轉(zhuǎn)換為凸約束(23)：

接下來，引入輔助變量和并將(20c)分解為約束(24)：

可以看出，(24a)是一個凸約束，對于(24b)，通過一階泰勒級數(shù)展開，二次項可以表示為：

因此可以將(24b)轉(zhuǎn)換為凸約束(26)，其中表示的第n次迭代，z[n]表示z的第n次迭代：

非線性約束(24c)可以轉(zhuǎn)換為凸線性矩陣不等式約束(27)：

最后，通過引入輔助變量{τ_k}和ω可以將問題(20)轉(zhuǎn)換為優(yōu)化問題(28)，其中η＝W_mc/W_mm，g_l表示從CP到第l個基站的前向鏈路信道向量，W_mc表示下行微波鏈路信道帶寬：

(20d)-(20g),(21b),(23),(24a),(26),(27) (28e)

由于問題的約束條件過多，并且多數(shù)條件已在前文說明，為了簡化表達，以(28e)代指約束條件(20d)-(20g),(21b),(23),(24a),(26),(27)，log(1+β_k)和是凸函數(shù)，因此目標函數(shù)(28a)由凸差問題DC構(gòu)成，通常使用約束凹凸過程CCCP來求解DC過程，實際上，CCCP的主要思想是通過將(28a)轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)，然后迭代求解凸問題，直到結(jié)果收斂為止；基于此原理，考慮對使用一階泰勒逼近，如(29)所示，其中表示的第n次迭代：

然后，可以將目標函數(shù)轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)(30)：

約束(28d)也是DC程序，類似地，可以將其轉(zhuǎn)化為凸約束(31)：

其中表示輔助變量τ_k的第n次迭代；通過引入輔助變量{θ_k}和{λ_k}，(28b)可以分解為約束(32)：

根據(jù)(25)，(26)，(27)，可以將非凸約束(32b)和(32c)轉(zhuǎn)化為凸約束(33)和(34)，其中是λ_k的第n次迭代：

最終，可以將SRM問題可以轉(zhuǎn)化為以下問題：

s.t.(20d)-(20g),(21b),(23),(24a),(26),(27),(28c),(32a),(33),(34) (35b)

由于約束條件過多，且多數(shù)條件已在前文說明，為了簡化表達，問題(35)是由目標函數(shù)(35a)和約束條件(35b)構(gòu)成的優(yōu)化問題，以(35b)代指約束條件(20d)-(20g),(21b),(23),(24a),(26),(27),(28c),(32a),(33),(34)，在(35)中，只有秩約束(20f)是非凸的，通過半定規(guī)劃SDP松弛，(35)將成為凸優(yōu)化問題，可以通過標準凸優(yōu)化技術(shù)解決，最后，要獲得優(yōu)化問題(17)的解，必須迭代求解(35)，具體來說，首先初始化可行的解決方案通過經(jīng)典的凸優(yōu)化算法可以得到(35)的最優(yōu)解，然后根據(jù)在先前迭代中獲得的解來更新直到結(jié)果收斂或迭代索引達到其最大值；另外，由于沒有秩約束的(35)是凸優(yōu)化問題，所以迭代更新所有變量將增加或至少保持(35)中目標函數(shù)的值；在給定有限的發(fā)射功率的條件下，目標函數(shù)的值應(yīng)為具有上限的單調(diào)非遞減序列，其收斂于至少局部最優(yōu)的固定解；

步驟三：在各個基站發(fā)射功率約束下的問題計算和解決方案

每一個基站的發(fā)射功率約束更實際，B的定義如(36)所示：

每個基站的功率約束(20d)可以寫成(37)的形式，其中表示第l個基站最大傳輸功率：

然后，在每個基站的發(fā)射功率約束下，制定了SRM問題(38)：

s.t.(17b)-(17d),(37) (38b)

由于問題的約束條件過多，并且多數(shù)條件已在前文說明，為了簡化表達，以(38b)代指約束條件(17b)-(17d),(37)，最后，可以使用步驟二中的算法，迭代地解決上述凸優(yōu)化問題，即通過凸優(yōu)化算法獲得問題(38)的解，問題(38)指由目標函數(shù)(38a)和約束條件(38b)構(gòu)成的優(yōu)化問題。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安全傳輸?shù)暮撩撞ㄔ茻o線接入網(wǎng)絡(luò)波束設(shè)計方法，其特征在于：第一步系統(tǒng)模型建立中，竊聽者Eve試圖竊聽第k個用戶的信息，第z個Eve收到的信號為：

其中示從第L個基站到第z個Eve的信道向量，代表從第l個基站到第z個Eve的信道向量；

第z個Eve竊聽第k個用戶的竊聽速率為：

最后，第k個用戶可以達到的保密率為：

其中，表示第k個用戶的非保密速率，表示Eve集合。