一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法转让专利
申请号 : CN201810728289.7
文献号 : CN109088682A
文献日 : 2018-12-25
发明人 : 李琦琦 , 冯友宏 , 杨志 , 岳雪峰 , 王启蒙
申请人 : 安徽师范大学
摘要 :
本发明公开了一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，包括以下步骤：获取当前网络中基站发射功率 以及通信信道的信道状态信息；设定合法用户的能量分配系数 以及最小安全信息速率要求 ，将问题转换为表达式 ；通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为表达式 ；通过构建方程组与一维线性搜索相结合的方式求解问题 ，获取系统的最大化安全速率和。本发明相较传统研究提出了MISO-NOMA网络下安全速率和的最大化方法，同时采用方程组结合一维线性搜索的方式取代了计算量较大的二维线性搜索方案，符合未来移动通信发展的趋势，具有应用性广、实用性强的优势。
权利要求 :
1.一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）获取当前网络中基站发射功率 、执行NOMA通信的两个合法用户与基站间的信道状态信息，以及窃听用户与基站间的平均信道状态信息；
（2）假设合法用户 的能量分配系数为 （其中信道条件较差用户分配能量系数为 ，较好用户分配能量系数为 ），最小安全信息速率要求为，可取得该用户的安全中断概率为=
，
其中 、 分别代表主信道信道容量以及窃听信道信道容量，因此在安全中断概率大于 的限制下可将安全速率和最大化描述为问题：
（3）通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为 ：其中 为定义的变量，且 ，
表示安全中断概率；
（4）求解问题 ，首先通过 构建方程组，获得最佳能量分配系数 ，从而取得用户2的最大安全速率和，进一步通过对能量分配系数 的一维线性搜索可取得系统的最大化安全速率和。
2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其特征在于，所述步骤（2）中的 具体表达式为 ，具体表达式为 ，其中 表示用户 主信
道的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）， 表示用户 窃听信道的SINR。
3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其特征在于， 所述步骤（3）中去除问题 中的中断概率限制因素的方法为通过将安全中断概率重写为以 代表 的互补累积分布函数，从而中断概率限制条件可写作，由于 对于 为非增函数，因此可知
，从而去除问题中的中断概率限制因素。
4.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其特征在于，所述步骤（4）中的方程组构建步骤为首先定义变量 ，由之前等式有 ，因此 可看作 的函数，同时还可看出 对于窃听用户等同于 对于用户 ，描述了窃听信道的信道质量，因此将看作 函数，可定义表达式 ，同时通过推导可知 为 在(0,1)上的上凸函数，且存在 ，当 时 ，当 时
，可知 时 可取得最大值， 因此为获
得用户1与用户2的安全中断概率限制条件下用户2的最大安全速率和，可构建下述方程组以求解用户2的最佳能量分配系数 。
说明书 :
一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法。
背景技术
[0002] 随着物联网的快速发展，大规模的接入场景是未来必将存在的场景之一。满足不同用户需求的同时，提高频谱的利用率问题是通信发展的核心问题。采取传统的CDMA，TDMA，OFDMA等技术进行接入，一方面基站需要为每个用户分配资源，无法满足未来同时支持百万不同用户需求的连接；另一方面，传统的多接入体制并未考虑不同用户（视频，音频，图片，文字）的需求，造成信令开销大、效率低以及复杂度过大等问题。因此，为了进一步提升下一代移动通信系统的频谱效率和传输容量，满足未来网络需要支持各种宽带、高数据速率同时具有不同服务质量(Quality of Service, QoS)的应用，高效的非正交技术（Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA）逐渐引起了学术界和工业界的兴趣。NOMA能够实时服务于不同的信道状态的用户，这也满足对于未来5G通信低延迟和高连通性的需要。为此我们在传统的正交接入方式基础上引入非正交多址接入技术显得尤为重要。
[0003] 在利用NOMA技术实现更高频谱利用率的同时，该网络模型下的信息传输安全问题也引起了人们的广泛关注，现有的物理层安全研究中暂时没有对MISO-NOMA网络结构下安全速率和最大化方面的研究，同时为实现多个合法用户取得最大安全速率和，传统的研究方案中大多采用多维线性搜索的策略，不仅增大了系统的计算负担，还会因其高耗时对用户体验造成较差的影响。
发明内容
[0004] 针对现有技术的不足及改进需求，本发明提供一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其目的在于提供一种高效的能量分配策略以实现MISO-NOMA网络下安全速率和的最大化。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明提供一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）获取当前网络中基站发射功率 、执行NOMA通信的两个合法用户与基站间的信道状态信息，以及窃听用户与基站间的平均信道状态信息；
（2）假设合法用户 的能量分配系数为 （其中信道条件较差
用户分配能量系数为 ，较好用户分配能量系数为 ），最小安全信息速率要求为，可取得该用户的安全中断概率为
其中 、 分别代表主信道信道容量以及窃听信道信道容量，因此在
安全中断概率大于 的限制下可将安全速率和最大化描述为
问题 ：
（3）通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为 ：
其中 为定义的变量，且 ， 表
示安全中断概率；
（4）求解问题 ，首先通过 构建方程组，获得最佳能量分配系数 ，从而取得用户2的最大安全速率和，进一步通过对能量分配系数 的一维线性搜索可取得系统的最大化安全速率和。
（2）假设合法用户 的能量分配系数为 （其中信道条件较差
用户分配能量系数为 ，较好用户分配能量系数为 ），最小安全信息速率要求为，可取得该用户的安全中断概率为
其中 、 分别代表主信道信道容量以及窃听信道信道容量，因此在
安全中断概率大于 的限制下可将安全速率和最大化描述为
问题 ：
（3）通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为 ：
其中 为定义的变量，且 ， 表
示安全中断概率；
（4）求解问题 ，首先通过 构建方程组，获得最佳能量分配系数 ，从而取得用户2的最大安全速率和，进一步通过对能量分配系数 的一维线性搜索可取得系统的最大化安全速率和。
[0006] 进一步的，所述步骤（2）中的 具体表达式为， 具体表达式为
，其中 表示用户 主信道的信号与干扰
加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）， 表示用户 窃听信道的SINR。
，其中 表示用户 主信道的信号与干扰
加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）， 表示用户 窃听信道的SINR。
[0007] 进一步的，所述步骤（3）中去除问题 中的中断概率限制因素的方法为通过将安全中断概率重写为以 代表 的互补累积分布函数，从而中断概率限制条件可写作
，由于 对于 为非增函数，因此可知
，从而去除问题中的中断概率限制因素。
，由于 对于 为非增函数，因此可知
，从而去除问题中的中断概率限制因素。
[0008] 进一步的，所述步骤（4）中的方程组构建步骤为首先定义变量 ，由之前等式有 ，因此 可看作的函数，同时还可看出 对于窃听用户等同于 对于用户 ，描述了窃听信道的信道质量，因此将 看作 函数，可定义表达式
同时通过推导可知 为 在(0, 1)上的上凸函数，且存在 ，
当 时 ，当 时
，可知 时 可取得最大值， 因此为获得
用户1与用户2的安全中断概率限制条件下用户2的最大安全速率和，可构建下述方程组以求解用户2的最佳能量分配系数 。
同时通过推导可知 为 在(0, 1)上的上凸函数，且存在 ，
当 时 ，当 时
，可知 时 可取得最大值， 因此为获得
用户1与用户2的安全中断概率限制条件下用户2的最大安全速率和，可构建下述方程组以求解用户2的最佳能量分配系数 。
[0009] 如上所述，本发明的一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法，具有以下有益效果：本发明通过在NOMA网络合法用户间寻求最佳能量分配的策略,实现安全速率和的最大化，同时将所需使用的二维线性搜索方案转换为外层一维线性搜索与内层求解最优化方程组相结合的方式，在实现相同结果的前提下大大降低了计算复杂度，本发明符合未来移动通信发展的趋势，具有应用性广、实用性强的优势。
附图说明
[0010] 图1是本发明一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法的网络模型示意图。
[0011] 图2是本发明一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法的流程示意图。
[0012] 图3是实施例提供的安全速率和最大化方法与传统OMA通信方式以及不采用人工噪声方式下系统平均安全速率和的对比图。
具体实施方式
[0013] 下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0014] 如图1所示，是本发明一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法的网络模型示意图，网络中包含一个发送基站，两个执行NOMA通信的合法用户以及一个窃听用户，其中发送基站装配有N根天线，用于同时发送有用信号以及人工噪声信号以对窃听用户构成干扰，合法用户及窃听用户均只装配有单天线，其中合法用户2具有较好的信道条件，合法用户1具有较差的信道条件。
[0015] 如图2所示，是本发明一种基于NOMA的MISO网络下安全速率和最大化方法的流程示意图，包括以下步骤：（1）获取当前网络中基站发射功率 、执行NOMA通信的两个合法用户与基站间的信道状态信息，以及窃听用户与基站间的平均信道状态信息；
（2）假设合法用户 的能量分配系数为 （其中信道条件较差
用户分配能量系数为 ，较好用户分配能量系数为 ），最小安全信息速率要求为，可取得该用户的安全中断概率为
其中 、 分别代表主信道信道容量以及窃听信道信道容量，因此
在安全中断概率大于 的限制下可将安全速率和最大化描述为
问题 ：
（3）通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为 ：
其中 为定义的变量，且 ，
表示安全中断概率；
（4）求解问题 ，首先通过 构建方程组，获得最佳能量分配系数 ，从而取得用户2的最大安全速率和，进一步通过对能量分配系数 的一维线性搜索可取得系统的最大化安全速率和。
（2）假设合法用户 的能量分配系数为 （其中信道条件较差
用户分配能量系数为 ，较好用户分配能量系数为 ），最小安全信息速率要求为，可取得该用户的安全中断概率为
其中 、 分别代表主信道信道容量以及窃听信道信道容量，因此
在安全中断概率大于 的限制下可将安全速率和最大化描述为
问题 ：
（3）通过去除问题 中的中断概率限制因素，将问题转换为 ：
其中 为定义的变量，且 ，
表示安全中断概率；
（4）求解问题 ，首先通过 构建方程组，获得最佳能量分配系数 ，从而取得用户2的最大安全速率和，进一步通过对能量分配系数 的一维线性搜索可取得系统的最大化安全速率和。
[0016] 上述方法中，部分步骤具体如下：步骤（2）中的 具体表达式为 ，
具体表达式为 ，其中 表示用户 主
信道的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）， 表示用户 窃听信道的SINR；
步骤（3）中去除问题 中的中断概率限制因素的方法为通过将安全中断概率重写为以 代表 的互补累积分布函数，从而中断概率限制条件可写作
，由于 对于 为非增函数，因此可
知 ，从而去除问题中的中断概率限制因素；
步骤（4）中的方程组构建步骤为首先定义变量 ，由之前等式有
，因此 可看作 的函数，同时
还可看出 对于窃听用户等同于 对于用户 ，描述了窃听信道的信道质量，因此将看作 函数，可定义表达式
同时通过推导可知 为 在(0, 1)上的上凸函数，且存在 ，
当 时 ，当 时
，可知 时 可取得最大值， 因此为获
得用户1与用户2的安全中断概率限制条件下用户2的最大安全速率和，可构建下述方程组以求解用户2的最佳能量分配系数 。
具体表达式为 ，其中 表示用户 主
信道的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）， 表示用户 窃听信道的SINR；
步骤（3）中去除问题 中的中断概率限制因素的方法为通过将安全中断概率重写为以 代表 的互补累积分布函数，从而中断概率限制条件可写作
，由于 对于 为非增函数，因此可
知 ，从而去除问题中的中断概率限制因素；
步骤（4）中的方程组构建步骤为首先定义变量 ，由之前等式有
，因此 可看作 的函数，同时
还可看出 对于窃听用户等同于 对于用户 ，描述了窃听信道的信道质量，因此将看作 函数，可定义表达式
同时通过推导可知 为 在(0, 1)上的上凸函数，且存在 ，
当 时 ，当 时
，可知 时 可取得最大值， 因此为获
得用户1与用户2的安全中断概率限制条件下用户2的最大安全速率和，可构建下述方程组以求解用户2的最佳能量分配系数 。
[0017] 如图3所示，是实施例提供的安全速率和最大化方法与传统OMA通信方式以及不采用人工噪声方式下系统平均安全速率和的对比图。其中NOMA-AN代表本专利提出的安全速率和最大化方法，OMA-AN代表传统OMA通信方式下的安全速率和最大化方法，NOMA-w/o-AN代表不加入人工噪声情况下的安全速率和最大化方法，同时发送基站天线数N设定为5，可以看出，本实施例所提供的安全速率和最大化方法具有最好的系统安全性能，同时与采用二维线性搜索方案相比具有相同的系统性能。
[0018] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，而所有这些修饰或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。