[发明专利]异构网络中一种基于非最佳用户级联方案的物理层安全方法

说明书

本发明公开了多层异构网络中基于非最佳用户级联方案物理层安全方法，属于无线通信技术领域。本发明通过描述每一层的节点分布密度、基站发射功率、路径损耗指数、偏置因子来分析在被动窃听场景下的多层异构网络模型；提出了一种基于非最佳用户级联方案来解决最佳基站难以连接问题；该方案利用随机几何将网络节点建模为齐次泊松点过程，并借助于随机几何数学工具，推导出多层蜂窝异构网络的物理层安全概率表达式；根据得到的安全概率，比较分析发射功率、安全门限以及窃听者密度对系统安全概率的影响；该方法在提高系统的物理层安全性能方面具有显著的优越性，提高了网络覆盖概率和平均用户容量，同时也改善了网络的吞吐量和频谱效率。

技术领域

本发明涉及一种基于非最佳用户级联方案的物理层安全方法，应用于多层异构网络，属于通信技术领域。

背景技术

在近几年中，随着移动数据业务量和网络流量呈指数级增长，移动用户对于下一代网络的服务质量和用户体验需求进一步增加。由于传统的宏小区在信号强度、吞吐量和穿透障碍物等方面受到了巨大的挑战。于是，异构网络(heterogeneous network，HetNet)的概念应运而生，因其组网具有灵活而不可替代的特性，被认为是未来5G通信的关键技术。其主要特点是在传统的宏小区基础上部署大量的小小区，宏小区和小小区共享系统频谱、带宽等资源。小小区的大量部署能够有效提供各种局部资源，填补宏小区网络的覆盖空洞问题，是提高移动网络服务质量的不二选择。然而，异构网络的范围不仅仅包括小小区，同时还包括多层网络架构、多无线电接入技术等，他们之间相互协调，共同辅助保障通信质量。

异构网络作为传统蜂窝网的一种变式，其不仅可以满足海量用户的高吞吐量要求，还具有以下优点：

(1)更好的覆盖范围。由于网络中部署了各种不同层次的低功率基站，边缘用户可以连接至小小区基站，从小小区基站接收信号。由于小小区基站与边缘用户的距离较近，那么用户的信号接收质量或SNR增强，系统的覆盖性能得到提升。

(2)更高的频谱效率。由于在传统的宏小区之上部署了小小区网络，小小区基站的发射功率小于传统的宏小区基站，因此小小区基站可以在相同的资源块上发送信号而对宏小区用户并不产生影响。极大的改善了整个异构网络的频谱效率。

(3)减轻宏小区负载。传统网络的负载都在宏小区上，而在异构网络中，由于部署了小小区，部分宏小区网络负载被转移到宏小区上，这样提高了系统资源(如：频谱、时隙等)的可用性。由于各用户之间对于无线电资源的竞争减小，用户的服务质量得到提高。

(4)有效节约了成本。相比传统的宏小区，小小区部署范围更小，回程方案(如：光缆、无线等)更加灵活，所以小小区的部署降低了运营成本。此外，家庭基站以一种即插即用的方式为用户提供服务，因此省去了网络部署的麻烦。

异构网中的一个关键问题就是用户级联，即在异构网络中如何将一个用户级联到不同的可用基站的问题。用户与基站的级联不仅会影响当前用户所使用的物理资源块，还会影响与同一中继(或BS)级联的其他用户。同时，一旦部分基站关闭，移动终端必须重新级联到新的基站。因此，用户级联问题的研究至关重要，将用户级联到相关基站能够有效提高系统容量，极大改善用户体验。其中，接收到的信号强度和信干扰噪声比(signal tointerference-plus-noise-ratio，SINR)，是用户级联的两个重要衡量标准。传统上，用户端都会选择与最佳的基站进行连接，因为最佳基站拥有最强的平均偏置接收功率，然而考虑到在用户端选择最佳基站连接的过程中，容易受到调度、负载平衡和资源限制等情况的影响，使传统的最佳基站难以连接。

除了用户级联的问题之外，到目前为止，现存的关于蜂窝异构网络的研究，物理层安全尚未被考虑。无线传输的广播性使其本身易于出现诸如干扰、窃听等安全性问题，这会危害无线网络中的通信隐私。传统上的安全是通过在应用层加密编码来实现的，这种方法是基于计算复杂度的某些确定假设。然而，近年来由于量子计算机等智能计算设备的迅速发展，传统的编码加密技术所提供的安全性受到巨大的威胁。