[发明专利]一种QoS驱动的D2D安全通信资源分配方法

说明书

本发明公开了一种QoS驱动的D2D安全通信资源分配方法，包括构建带窃听的D2D异构蜂窝网络的系统模型，将构建的系统模型建立统计QoS和统计安全的保护框架；基于所构建的框架建立一个最大化D2D用户的和有效容量受限于蜂窝用户的QoS和D2D用户的安全约束，以及关于子信道分配和功率分配的资源分配的优化问题，即整数约束和非凸问题组合的优化问题；采用两步求解法解决所提出的优化问题，即完成QoS驱动的D2D安全通信资源分配。本发明通过资源复用的方式研究基于蜂窝统计QoS保障的针对D2D通信的资源和功率分配方案，本发明所提出的方案可以增加系统吞吐量，其复杂度比较低，并且其性能比现存的方法优越。

技术领域

本发明属于5G网络中物理层安全传输技术，具体涉及多信道资源分配下的基于蜂统计QoS保障的一种D2D安全传输方案。

背景技术

随着无线通信技术的继续演进，在局部无线服务业务上增加的数据速率要求和对频谱的要求都是激增的。因此D2D通信将是提高5G无线通信系统性能的关键技术之一。在D2D异构蜂窝网络的系统中，D2D用户可以在短距离之间复用蜂窝网络的频谱资源直接通信而不依赖基站，这不仅可以提高系统容量，而且可以提高频谱效率和降低功率消耗。然而，在D2D内嵌蜂窝系统中，一个很重要的问题是蜂窝通信和D2D通信共享子信道所带来的同频干扰问题。因此，在D2D通信的研究上的大多数文献考虑了以最小蜂窝速率要求的蜂窝QoS。但是，由于无线信道的随机特性，这种确定时延QoS要求很难得到保障的。因此，有些文献在D2D通信中提出了统计时延QoS保障方法。可以使用统计时延QoS保障去保障蜂窝用户的QoS要求。在D2D基于衬底异构蜂窝网络中的另一个基本问题是物理层安全问题。如何来保障D2D通信的信息安全是值得研究的。传统的物理层安全保障方法是通过保密容量来评估的。保密容量被定义为：在窃听者存在的情况下，发射机到合法接收机之间可靠信息的最大可达速率。然而，这种度量可能不是解决该网络信息安全问题的最好的办法。这是因为D2D同频干扰和无线信道的随机特性不能永远保障一个正的保密容量，导致D2D的发射速率降低。

在D2D异构蜂窝通信系统中，如何来为D2D用户对选择最佳的子信道进行通信是一个关键的问题。

发明内容

为了解决上述所提到的问题，本发明为D2D的信息安全传输和子信道分配问题直接影响着信道同频干扰的严重程度的问题，提供了一种QoS驱动的D2D安全通信资源分配方法，该方法基于统计队列分析理论提出一个统计的安全保障方案，通过研究D2D内嵌蜂窝通信系统中的关于统计QoS和安全以及子信道分配的优化问题。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明的一种QoS驱动的D2D安全通信资源分配方法，包括以下步骤：

1)构建带窃听的D2D异构蜂窝网络的系统模型，系统包括蜂窝通信网络和D2D通信网络；

2)将步骤1)构建的系统模型，建立统计QoS和统计安全的保护框架；

3)基于统计QoS和统计安全的保护框架，建立一个最大化D2D用户的和有效容量受限于蜂窝用户的QoS和D2D用户的安全约束，以及关于子信道分配和功率分配的资源分配的优化问题，即整数约束和非凸问题组合的优化问题；

4)采用两步求解法解决非凸问题和整数约束组合的优化问题，即完成QoS驱动的D2D安全通信资源分配。

进一步，所述蜂窝通信网络和D2D通信网络中：

蜂窝通信网络包括一个基站BS、和通过I个正交信道与基站BS通信的I个蜂窝用户以及I个队列系统；

D2D通信网络包括J对D2D用户和一个窃听用户E，在每对D2D用户端的发射端和窃听用户E端设有1个队列系统；

J对D2D用户之间的通信复用蜂窝用户的I个正交信道，每个正交信道只能被一对D2D用户复用，每对D2D用户可复用多个正交信道。