本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

云化無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(Cloud-RAN，C-RAN)是基于集中化處理，協(xié)作式無(wú)線(xiàn)電和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)構(gòu)架。其目標(biāo)是為解決移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展給運(yùn)營(yíng)商所帶來(lái)的多方面挑戰(zhàn)，包括能耗、建設(shè)和運(yùn)維成本以及頻譜資源等?；诰彺娴脑苹療o(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，在各個(gè)無(wú)線(xiàn)基站內(nèi)部設(shè)置一定容量的緩存，若用戶(hù)請(qǐng)求的下載內(nèi)容在緩存內(nèi)容中，則基站直接將該文件發(fā)送給目標(biāo)用戶(hù)。以此減輕中心處理器回傳的壓力，減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。

另一方面，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)由于其通信介質(zhì)的開(kāi)放性，使得任何用戶(hù)都可以接收到無(wú)線(xiàn)信道中的所有信號(hào)。惡意的無(wú)線(xiàn)竊聽(tīng)可以導(dǎo)致信息(如通話(huà)信息、身份信息、位置信息、數(shù)據(jù)信息以及移動(dòng)站與網(wǎng)絡(luò)控制中心之間的信令信息等)泄露，移動(dòng)用戶(hù)的身份信息和位置信息的泄露可以導(dǎo)致移動(dòng)用戶(hù)被無(wú)線(xiàn)跟蹤。

在云化無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)系統(tǒng)中，如何提高合法鏈路的安全容量，已經(jīng)成為急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化系統(tǒng)和方法，以提高系統(tǒng)的安全容量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于：包括中心處理器、多個(gè)基站、多個(gè)竊聽(tīng)用戶(hù)和多個(gè)合法用戶(hù)，所述中心處理器與多個(gè)基站連接，所述每個(gè)基站與多個(gè)竊聽(tīng)用戶(hù)、多個(gè)合法用戶(hù)無(wú)線(xiàn)通信。

一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于：所述中心處理器有一個(gè)，定義基站M個(gè)，定義竊聽(tīng)用戶(hù)N_E個(gè)，定義合法用戶(hù)N_A個(gè)，定義基站到合法用戶(hù)和竊聽(tīng)用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)信道衰落矩陣分別為和定義第m個(gè)基站的波束成形向量以及全體基站的波束成形向量此時(shí)系統(tǒng)的安全速率可定義為：

上式和分別代表合法用戶(hù)與竊聽(tīng)用戶(hù)接收機(jī)的噪聲功率；

假設(shè)第m個(gè)基站的分簇函數(shù)為s_m，當(dāng)?shù)趍個(gè)基站屬于服務(wù)基站集時(shí)s_m＝1，否則s_m＝0；定義第m個(gè)基站對(duì)目標(biāo)文件的緩存狀態(tài)c_m，當(dāng)?shù)趍個(gè)基站緩存中存儲(chǔ)有目標(biāo)文件時(shí)c_m＝1，否則c_m＝0；

則定義系統(tǒng)的帶寬代價(jià)函數(shù)為

上式中，R代表文件大小；

系統(tǒng)的功耗代價(jià)函數(shù)為：

C_P＝Tr(ww^H)

上式Tr()是矩陣求跡函數(shù)，Tr()里面的w^H表示矩陣向量的共軛轉(zhuǎn)置；

總代價(jià)函數(shù)為：

上式η只是一個(gè)權(quán)重因子，可根據(jù)不同場(chǎng)景自由選取。

上述的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的安全通信優(yōu)化模型，在安全容量約束下，使得系統(tǒng)總代價(jià)函數(shù)最小化，即：

上式C_T代表預(yù)設(shè)的安全容量門(mén)限值；

S2、根據(jù)約束條件，對(duì)分簇函數(shù)s_m進(jìn)行近似化處理，根據(jù)約束條件，可定義|| ||表示矩陣的范數(shù)，再根據(jù)零階范數(shù)連續(xù)化近似處理，并引入松馳變量t_m，可將P₀優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為以上優(yōu)化問(wèn)題：

式中，其中θ為近似變量，可取任意正數(shù)，上式

S3、利用差分凸優(yōu)化方法對(duì)上述優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行迭代處理，首先將P₁問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)DC優(yōu)化問(wèn)題，即：

然后再進(jìn)行迭代處理。

上述的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S3迭代處理的步驟為：

a)初始化：i＝0,w⁽⁰⁾＝w_init,

b)使用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化工具解如下子問(wèn)題

c)更新：i＝i+1,w⁽ⁱ⁾＝w,t_m⁽ⁱ⁾＝t_m，當(dāng)達(dá)到迭代停止條件時(shí)，停止迭代；否則執(zhí)行b)操作。

上述的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于：所述w_init的確定方法，可根據(jù)如下優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解：

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)架構(gòu)，在系統(tǒng)安全容量約束條件下，對(duì)系統(tǒng)總代價(jià)函數(shù)進(jìn)行最小化優(yōu)化。其中的總代價(jià)函數(shù)同時(shí)考慮系統(tǒng)帶寬代價(jià)和功率代價(jià)。本發(fā)明利用差分凸優(yōu)化技術(shù)求解最小化優(yōu)化問(wèn)題，具體方法包括：基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的建立安全通信優(yōu)化模型；通過(guò)零階范數(shù)近似化處理將上述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)差分凸優(yōu)化問(wèn)題；再使用迭代化方法將上述差分凸優(yōu)化問(wèn)題分解為標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化問(wèn)題，使用經(jīng)典的凸優(yōu)化數(shù)值化方法即可求解出最終的最優(yōu)解，有效減輕了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全容量和安全性。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于：包括中心處理器1、多個(gè)基站2、多個(gè)竊聽(tīng)用戶(hù)3和多個(gè)合法用戶(hù)4，所述中心處理器1與多個(gè)基站2連接，所述每個(gè)基站2與多個(gè)竊聽(tīng)用戶(hù)3、多個(gè)合法用戶(hù)4無(wú)線(xiàn)通信。

一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于：所述中心處理器1有一個(gè)，定義基站2有M個(gè)，定義竊聽(tīng)用戶(hù)3有N_E個(gè)，定義合法用戶(hù)4有N_A個(gè)，定義基站到合法用戶(hù)和竊聽(tīng)用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)信道衰落矩陣分別為和定義第m個(gè)基站的波束成形向量以及全體基站的波束成形向量此時(shí)系統(tǒng)的安全速率可定義為：

上式和分別代表合法用戶(hù)與竊聽(tīng)用戶(hù)接收機(jī)的噪聲功率；

假設(shè)第m個(gè)基站的分簇函數(shù)為s_m，當(dāng)?shù)趍個(gè)基站屬于服務(wù)基站集時(shí)s_m＝1，否則s_m＝0；定義第m個(gè)基站對(duì)目標(biāo)文件的緩存狀態(tài)c_m，當(dāng)?shù)趍個(gè)基站緩存中存儲(chǔ)有目標(biāo)文件時(shí)c_m＝1，否則c_m＝0；

則定義系統(tǒng)的帶寬代價(jià)函數(shù)為

上式中，R代表文件大??；

系統(tǒng)的功耗代價(jià)函數(shù)為：

C_P＝Tr(ww^H)

上式Tr()是矩陣求跡函數(shù)，Tr()里面的w^H表示矩陣向量的共軛轉(zhuǎn)置；

總代價(jià)函數(shù)為：

上式η只是一個(gè)權(quán)重因子，可根據(jù)不同場(chǎng)景自由選取。

如圖2所示，本實(shí)施例的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的安全通信優(yōu)化模型，在安全容量約束下，使得系統(tǒng)總代價(jià)函數(shù)最小化，即：

上式C_T代表預(yù)設(shè)的安全容量門(mén)限值；

S2、根據(jù)約束條件，對(duì)分簇函數(shù)s_m進(jìn)行近似化處理，根據(jù)約束條件，可定義|| ||表示矩陣的范數(shù)，再根據(jù)零階范數(shù)連續(xù)化近似處理，并引入松馳變量t_m，可將P₀優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為以上優(yōu)化問(wèn)題：

式中，其中θ為近似變量，可取任意正數(shù)，上式

S3、利用差分凸優(yōu)化方法對(duì)上述優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行迭代處理，首先將P₁問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)DC優(yōu)化問(wèn)題，即：

然后再進(jìn)行迭代處理。

本實(shí)施例的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S3迭代處理的步驟為：

c)初始化：i＝0,w⁽⁰⁾＝w_init,

d)使用標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化工具解如下子問(wèn)題

c)更新：i＝i+1,w⁽ⁱ⁾＝w,t_m⁽ⁱ⁾＝t_m，當(dāng)達(dá)到迭代停止條件時(shí)，停止迭代；否則執(zhí)行b)操作。

本實(shí)施例的一種基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的物理層安全通信優(yōu)化方法，其特征在于：所述w_init的確定方法，可根據(jù)如下優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解：

綜上，本發(fā)明基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)架構(gòu)，在系統(tǒng)安全容量約束條件下，對(duì)系統(tǒng)總代價(jià)函數(shù)進(jìn)行最小化優(yōu)化。其中的總代價(jià)函數(shù)同時(shí)考慮系統(tǒng)帶寬代價(jià)和功率代價(jià)。本發(fā)明利用差分凸優(yōu)化技術(shù)求解最小化優(yōu)化問(wèn)題，具體方法包括：基于云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的建立安全通信優(yōu)化模型；通過(guò)零階范數(shù)近似化處理將上述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)差分凸優(yōu)化問(wèn)題；再使用迭代化方法將上述差分凸優(yōu)化問(wèn)題分解為標(biāo)準(zhǔn)凸優(yōu)化問(wèn)題，使用經(jīng)典的凸優(yōu)化數(shù)值化方法即可求解出最終的最優(yōu)解，有效減輕了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全容量和安全性。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。