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摘要：本发明涉及一种Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，设计发送波束成形矢量we应用于蜂窝节点E，在减小发射信号对自身的自干扰的同时，提高合法链路的传输速率或对非法链路的干扰速率；设计接收波束成形矢量wj应用合法接收节点J，提高从蜂窝节点E处获得的上行传输速率，减小非法D2D发送节点发送信号的干扰。本发明方法能够保证工作在Underlay网络中的D2D通信安全可靠；利用全双工技术在实现监听任务的同时完成对接收节点的上行传输。

主权项：1.一种Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，所述Underlay蜂窝网络包括一个全双工合法蜂窝节点E，一个合法接收节点J和一对待监听的D2D通信节点；蜂窝节点E装载根发射天线，根接收天线，接收节点J装载根接收天线，D2D通信节点装载单根天线；该对待监听的D2D通信节点包括D2D发送节点S和D2D接收节点D；D2D发送节点S向D2D接收节点D发送信息，蜂窝节点E利用无线信道的开放性从D2D发送节点S处监听信息，并同时向合法接收节点J发送信息；其特征在于：设计发送波束成形矢量we应用于蜂窝节点E，设计接收波束成形矢量wj应用合法接收节点J；所述发送波束成形矢量we通过求解以下最小化问题获得： 约束条件a：约束条件b：traceWe＝1约束条件c：其中，trace表示矩阵的迹；Ps表示D2D发送节点S的发射功率，Pe表示蜂窝节点E的发射功率；表示蜂窝节点E与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的发射天线数目，为接收节点J的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D发送节点S之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D接收节点D之间的信道状态信息矩阵，表示D2D发送节点S与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，hs,d表示D2D发送节点S与D2D接收节点D之间的信道状态信息，表示蜂窝节点E的自干扰状态信息矩阵；dm,n,m,n∈{s,d,e,j}表示对应节点之间的距离，τ表示路径损耗因子；η表示自干扰影响因子；i∈{j,e,d}表示对应节点处的高斯白噪声的方差；如果求解所得最优解We的秩为1，则对应的发送波束成形矢量we为最终设计方案；所述接收波束成形矢量其中，I表示单位矩阵。

全文数据：一种Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法技术领域本发明涉及underlay蜂窝网络结合D2D通信的相关技术以及物理层安全和主动窃听的相关技术，具体涉及在underlay蜂窝网络中面向可疑、非法D2D通信的基于物理层安全技术的合法监听方法。背景技术近年来，随着本地服务需求的日益增加，对有限的蜂窝网络资源带来了压力。D2D通信技术允许相邻设备可以直接传递信息，被认为是未来无线通信网络的核心技术之一。在蜂窝网络中运用D2D通信技术可以有效提高网络的频谱效率，网络容量，并降低网络的传输时延。蜂窝网络和D2D技术的结合包含overlay和underlay两种工作模式。在overlay模式下，D2D节点和蜂窝节点不占用相同的频谱资源，只在蜂窝节点空闲时接入频段。在underlay模式下，D2D节点和蜂窝节点共用同一频谱进行传输。相较于overlay模式，underlay模式可以获得更高的频谱效率。D2D通信在给蜂窝网络带来便利的同时也带来了技术挑战和安全威胁。相邻节点间传输信息不需要通过基站或接入点，这不仅会影响到同频段进行通信的其他节点，也使得D2D通信本身变得容易遭受攻击。从物理层安全的角度，学者们已经开始对蜂窝网络中的D2D通信技术进行研究并取得了较好的进展。但是，目前对于蜂窝网络D2D通信技术的研究大多假设D2D通信是合法的，存在非法节点对D2D通信链路进行窃听。在此情形下，研究保障D2D通信的防窃听方法。然而，D2D通信的特点使得链路容易被非法节点占用并难以被基站或者接入节点检测。这会造成极大的安全隐患。主动窃听技术能够利用无线通信开放性、公平性的特点，实现对可疑节点和非法链路的监听，近年来已受到学者们的关注。结合物理层安全中诸如协作干扰等技术，主动窃听技术被证明能够有效实现对可疑非法链路的监听和干涉。在underlay模式下的蜂窝网络中，工作在全双工模式下的蜂窝节点能够同时执行监听可疑D2D节点和向基站上行传输信息的任务，能够在保障网络安全的同时提高网络的吞吐量。发明内容本发明目的在于解决上述难题。考虑到目前对于D2D物理层安全通信技术的研究大多侧重于对防窃听技术的研究，无法解决可疑、非法用户占用通信链路时的检测与监听问题。本发明将研究方向由防窃听技术转移到主动窃听方面，提出了一种Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，监听节点以对非法发送节点实现监听为约束条件，以最大化上行传输信息为目的，设计基于波束成形的合法监听方法。为了达到上述目的，本发明提出的Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，所述Underlay蜂窝网络包括一个全双工合法蜂窝节点E，一个合法接收节点J和一对待监听的D2D通信节点；蜂窝节点E装载根发射天线，根接收天线，接收节点J装载根接收天线，D2D通信节点装载单根天线；该对待监听的D2D通信节点包括D2D发送节点S和D2D接收节点D；D2D发送节点S向D2D接收节点D发送信息，蜂窝节点E利用无线信道的开放性从D2D发送节点S处监听信息，并同时向合法接收节点J发送信息；其特征在于：设计发送波束成形矢量we应用于蜂窝节点E，设计接收波束成形矢量wj应用合法接收节点J；所述发送波束成形矢量we通过求解以下最小化问题获得：约束条件a：约束条件b：traceWe＝1约束条件c：其中，trace表示矩阵的迹；Ps表示D2D发送节点S的发射功率，Pe表示蜂窝节点E的发射功率；表示蜂窝节点E与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的发射天线数目，为接收节点J的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D发送节点S之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D接收节点D之间的信道状态信息矩阵，表示D2D发送节点S与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，hs,d表示D2D发送节点S与D2D接收节点D之间的信道状态信息，表示蜂窝节点E的自干扰状态信息矩阵；dm,n,m,n∈{s,d,e,j}表示对应节点之间的距离，τ表示路径损耗因子；η表示自干扰影响因子；表示对应节点处的高斯白噪声的方差；如果求解所得最优解We的秩为1，则对应的发送波束成形矢量we为最终设计方案；所述接收波束成形矢量其中，I表示单位矩阵。本发明方法在underlay蜂窝网络场景中，合法蜂窝节点在对非法、可疑D2D用户进行监听的同时实现上行链路的有效传输。本发明有益效果如下：1、能够保证工作在underlay网络中的D2D通信安全可靠；2、利用全双工技术在实现监听任务的同时完成对接收节点的上行传输。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1是Underlay蜂窝网络系统模型示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明考虑underlay模式下的蜂窝网络模型，模型中包括一条合法蜂窝节点传输链路和一条待监听的D2D通信传输链路。合法链路包含一个全双工蜂窝节点E和一个合法接收节点J。可疑链路包含一个D2D发送节点S和一个D2D接收节点D。D2D发送节点S向D2D接收节点D传输可疑信息，蜂窝节点E在保障对D2D发送节点S实现监听的情形下向接收节点J传输上行信息。蜂窝节点E工作在全双工模式下，D2D发送节点S，D2D接收节点D，接收节点J工作在半双工模式下。D2D发送节点S，D2D接收节点D装载单天线，接收节点J装载根接收天线，蜂窝节点E装载根发射天线和根接收天线。假设所有信道为瑞利平坦衰落信道并在每个间隙保持一致。合法链路能够获得全局信道状态信息，非法链路不知道监听节点的存在。在每个时隙内，各节点接收到的信息表示如下接收节点J接收到的信息：D2D接收节点D接收到的信息：蜂窝节点E接收到的信息：其中，是蜂窝节点E的发射波束成形矢量，是接收节点J的接收波束成形矢量；表示蜂窝节点E与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，表示蜂窝节点E与D2D发送节点S之间的信道状态信息矩阵，表示蜂窝节点E与D2D接收节点D之间的信道状态信息矩阵，表示D2D发送节点S与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，hs,d表示D2D发送节点S与D2D接收节点D之间的信道状态信息，表示蜂窝节点E的自干扰状态信息矩阵；dm,n,m,n∈{s,d,e,j}表示各节点之间的距离，τ表示路径损耗因子，η表示自干扰影响因子。Pi,i∈{s,d,e,j}表示各节点的发射功率。xin表示节点i在时隙n时传输的信号。ni表示节点i处的高斯白噪声。在文字描述过程中，节点用大写字母表示，在公式中则用小写字母表示。例如Pe表示蜂窝节点E的发射功率；de,j表示蜂窝节点E与接收节点J之间的距离。根据各节点处的接收信号，各节点的信噪比可以表示如下接收节点J的信噪比：D2D接收节点D的信噪比：蜂窝节点E的信噪比：对于节点E，E-J链路的可达传输速率可以表示为Rjn＝Blog21+γjn。对于S-E的监听链路，只有当S-E的可达传输速率Ren＝Blog21+γen大于S-D的可达传输速率Rdn＝Blog21+γdn时，监听节点才有可能从监听获得的信息中成功解码。B为蜂窝网络的系统带宽，表示对应节点处的高斯白噪声的方差。其次，在时隙n时的监听成功因子可以表示为因此，节点E在时隙n时的可达监听速率可以表示为对于节点E，需要在实现对可疑链路监听的情形下最大化E-J链路的可达传输速率。通过对单位波束成形矢量we和wj的设计，在实现成功监听的前提条件下，最大化合法节点的可达传输速率。该问题可以表示为subjectto‖we‖2＝1，‖wj‖2＝1，Re≥Rd。上述优化问题P1是一个非凸优化问题，难以直接进行求解。从P1中可以看出，给定波束成形矢量we，wj对于整个优化问题包括约束条件都是独立的。因此，对于wj，可以将优化问题视为广义瑞利比问题进行求解。此时，wj的最优解可以表示为将上述表达式代入P1，并应用ShermanMorrison公式，P1可以转化为约束条件如下：‖we‖2＝1，上述优化问题是个非凸二次规划问题，可以通过办正定松弛方法进行求解。通过引入变量秩为1的半正定方阵变量并暂时对约束条件rankWe＝1进行松弛，可以将优化问题转化成以下形式约束条件如下：traceWe＝1，对于P3，可以利用CVX工具箱进行求解。如果求解所得最优解We的秩为1，则上述松弛后的优化问题的解可以视为原优化问题的最优解。上述为理论推导过程，本实施例直接通过求解以下最小化问题P3获得应用于蜂窝节点E的发送波束成形矢量we：约束条件a：约束条件b：traceWe＝1约束条件c：其中，trace表示矩阵的迹；Ps表示D2D发送节点S的发射功率，Pe表示蜂窝节点E的发射功率；表示蜂窝节点E与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的发射天线数目，为接收节点J的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D发送节点S之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D接收节点D之间的信道状态信息矩阵，表示D2D发送节点S与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，hs,d表示D2D发送节点S与D2D接收节点D之间的信道状态信息，表示蜂窝节点E的自干扰状态信息矩阵；dm,n,m,n∈{s,d,e,j}表示对应节点之间的距离，τ表示路径损耗因子；η表示自干扰影响因子；表示对应节点处的高斯白噪声的方差；如果求解所得最优解We的秩为1，则对应的发送波束成形矢量we为最终设计方案；应用于接收节点J的接收波束成形矢量其中，I表示单位矩阵。波束成形矢量we和wj皆为单位波束成形矢量，使用本发明实施例设计的应用于蜂窝节点E的发送波束成形矢量we，在减小发射信号对自身的自干扰的同时，提高合法链路的传输速率或对非法链路的干扰速率；使用本发明实施例设计的应用于合法接收节点J的接收波束成形矢量wj，可提高从蜂窝节点E处获得的上行传输速率，减小非法D2D发送节点发送信号的干扰。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

权利要求：1.一种Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，所述Underlay蜂窝网络包括一个全双工合法蜂窝节点E，一个合法接收节点J和一对待监听的D2D通信节点；蜂窝节点E装载根发射天线，根接收天线，接收节点J装载根接收天线，D2D通信节点装载单根天线；该对待监听的D2D通信节点包括D2D发送节点S和D2D接收节点D；D2D发送节点S向D2D接收节点D发送信息，蜂窝节点E利用无线信道的开放性从D2D发送节点S处监听信息，并同时向合法接收节点J发送信息；其特征在于：设计发送波束成形矢量we应用于蜂窝节点E，设计接收波束成形矢量wj应用合法接收节点J；所述发送波束成形矢量we通过求解以下最小化问题获得：约束条件a：约束条件b：traceWe＝1约束条件c：其中，trace表示矩阵的迹；Ps表示D2D发送节点S的发射功率，Pe表示蜂窝节点E的发射功率；表示蜂窝节点E与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的发射天线数目，为接收节点J的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D发送节点S之间的信道状态信息矩阵，为蜂窝节点E的接收天线数目，表示蜂窝节点E与D2D接收节点D之间的信道状态信息矩阵，表示D2D发送节点S与接收节点J之间的信道状态信息矩阵，hs,d表示D2D发送节点S与D2D接收节点D之间的信道状态信息，表示蜂窝节点E的自干扰状态信息矩阵；dm,n,m,n∈{s,d,e,j}表示对应节点之间的距离，τ表示路径损耗因子；η表示自干扰影响因子；i∈{j,e,d}表示对应节点处的高斯白噪声的方差；如果求解所得最优解We的秩为1，则对应的发送波束成形矢量we为最终设计方案；所述接收波束成形矢量其中，I表示单位矩阵。2.根据权利要求1所述，Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，其特征在于：合法接收节点J、D2D发送节点S和D2D接收节点D工作在半双工模式下。3.根据权利要求1所述Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，其特征在于：所有信道为瑞利平坦衰落信道并在每个间隙保持一致。4.根据权利要求1所述Underlay蜂窝网络中D2D通信的监听方法，其特征在于：合法链路能够获得全局信道状态信息，非法链路不知道监听节点的存在。

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