[发明专利]一种安全高能效的认知D2D通信方法

说明书

本发明涉及一种安全高能效的认知D2D通信方法，小蜂窝基站和认知用户分别进行信道质量评估；建立关于无线充电功率和无线充电时间的联合资源分配模型；采用迭代优化算法计算最优资源分配结果；以最优无线充电功率发射射频信号；认知用户在最优无线充电时间内收集射频信号能量；小蜂窝基站以最优无线充电功率干扰窃听者，认知用户设置自身的最大可行发射功率，并进行认知D2D通信。本发明面向超密集小蜂窝网络，在利用认知无线电技术实现频谱共享，并采用能量收集技术为认知用户进行无线充电的同时，通过人工噪声对窃听者进行干扰，可以实现安全高能效的认知D2D通信，有效提高频谱效率、能量效率以及物理层安全。

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说是一种安全高能效的认知D2D通信方法。

背景技术

频谱资源的稀缺和能量供应的持续性问题始终是无线通信系统所面临的重要挑战性难题，因此，学术界和工业界始终致力于提升无线通信系统的频谱效率和能量效率。超密集网络(Ultra-Dense Networks)和设备到设备通信(Device-to-Device，D2D)作为提升频谱效率和网络容量，并降低终端能耗的有效方法，已经成为第5代(5G)移动通信系统的关键技术。所谓超密集网络就是通过大量部署小蜂窝基站(Small Cell Base Station，SCBS)使得网络密集化。这样，一方面可以增强网络的覆盖，大幅提升网络容量，并进一步提高频谱效率；另一方面也可以降低基站与用户的距离，进而降低用户的能耗。与此同时，通过采用层叠、覆盖等不同信道接入方式，D2D通信可以实现用户之间的直接数据通信。这样，基站只需要少量的控制指令对用户间的通信进行协调即可，而不再需要为用户传输大量的数据，将大幅降低网络开销和设备能耗，提高频谱效率。因此，在超密集网络下，用户之间通过采用D2D方式直接进行数据通信，可以同时提升频谱效率和能量效率，实现绿色通信。

然而，在超密集网络下，进行D2D通信的用户必须保证不影响其他用户的正常通信。为此，可以采用认知无线电(Cognitive Radio)技术进行认知D2D通信，实现普通用户与认知用户(Cognitive User，CU)在授权蜂窝信道的并行通信与共存。但是，认知用户CU进行认知D2D通信时需要通过频谱感知等方式获取实时信道状态信息，造成能耗的显著提高，进而缩短设备的使用时间。尽管传统的低功耗算法可以提高能量效率，在一定程度上延长设备的使用时间，但是并不能彻底解决用户设备的能量受限问题。

随着能量收集技术的快速发展，其能量收集效率越来越高，已经可以为传感器节点等不同设备提供越来越多的能量供应。在能量收集技术的基础上，利用电磁耦合、射频辐射等方式，无线充电则可以为设备提供更加持续、稳定地能量供应，突破传统能量收集技术完全依靠风能、太阳能等随机能量源的限制，实现设备的长期灵活应用。目前，为设备配备能量收集装置，并采用无线充电技术为其进行持续、灵活的能量供应已经开始大范围推广和应用。因此，采用无线充电技术，在具备能量收集能力的认知用户CU之间进行认知D2D通信将有效解决无线通信系统的频谱稀缺和能量受限问题。

然而，在对认知用户CU进行无线充电时，将不可避免地对普通用户造成干扰。因此，对无线充电参数的设置以及通信资源的分配是确保有效充电与无干扰通信的关键问题。与此同时，由于用户对通信安全性的要求越来越高，保障认知用户CU的通信安全也是亟待解决的另一关键问题。目前，除了传统的数据加密技术，物理层安全技术也被证明是提高通信安全性的有效方法。物理层安全技术通过探索信道的实时变化特点，并及时调整设备的通信参数，可以有效降低传输信息被窃听的概率，提高通信安全。传统的物理层安全方法所面向的无线通信系统仅考虑了频谱效率或能量效率的一方面问题，对超密集蜂窝网络缺乏适用性，难以确保无干扰的频谱共享及安全通信。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种安全高能效的认知D2D通信方法，面向超密集小蜂窝网络，同时考虑了无线通信的频谱效率、能量效率和通信安全。在利用能量收集技术为认知用户CU进行无线充电的同时，通过人工噪声对窃听者进行干扰，可以有效提高频谱效率、能量效率以及物理层安全。