基于物理层安全的D2D通信的资源调度研究

发布时间：2017-09-19 02:19

  本文关键词：基于物理层安全的D2D通信的资源调度研究

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【摘要】：Device-to-Device(D2D)通信作为LTE-Advanced中的新技术之一,带动了蜂窝网络的发展。D2D通信具有提高频谱利用率,增大蜂窝网络覆盖范围,减少基站工作负担等诸多作用。这为蜂窝用户呈爆炸式增长,无线频谱资源日益紧张的问题带来明显的缓解。因此,D2D通信引起了业界关注。由于D2D通信可以在基站的控制下与蜂窝网络用户复用同一段频谱资源而导致的蜂窝链路和D2D链路的相互干扰问题成为了业界的研究的焦点。人们通常认为有害干扰是影响D2D通信适用于蜂窝网络的唯一限制,却忽略了D2D通信对蜂窝网络安全性带来的影响。本文进行了D2D通信干扰管理与蜂窝用户信息物理层安全的联合研究。在此基础上,进行了物理场景的建立来分析D2D链路的接收用户作为潜在的窃听者对蜂窝信息安全性造成的影响。我们分别提出了最小化蜂窝信息泄露速率和优化系统总速率的调度与功率控制算法以及保证D2D链路的Quality-ofService(QoS)服务质量和优化蜂窝用户保密容量的资源管理算法,以消除有害的相互干扰同时保证蜂窝用户信息的安全性。我们首先分析了在限制蜂窝信息的泄露情况下如何优化蜂窝用户和D2D用户的速率和。为了保证蜂窝用户的信息安全和蜂窝链路的QoS服务,我们给予了蜂窝信息速率一个下界阈值限制,给予了蜂窝泄露信息速率一个上界阈值限制。求解这样的数学模型就可以保证同时解决D2D通信带来的相互有害干扰和蜂窝信息泄露的不良影响。我们所建立的数学模型为非凸规划,无法直接求解。我们提出了资源调度算法求解非凸问题。我们根据数学问题的限制条件推导出一个关于信道信息的集合,被称为准入区域,用来筛选D2D发射用户候选者。我们求出了最优功率的闭式解以最大化系统总速率,并且利用闭式解来分析系统总速率的性质。我们提出了D2D用户的配对原则,用来解决准入区域中出现多个D2D发射用户候选者的情况。分析和仿真结果都表明所提的算法可以同时解决干扰管理问题和抑制蜂窝网络的信息泄露问题,并且在提高蜂窝网络吞吐量方面有着卓越的效果。我们其次析了在保证D2D链路QoS服务质量的情况下如何优化蜂窝用户保密容量的问题。为了保证D2D链路的QoS服务质量,同时增强D2D信号作为窃听者D2D接收用户的干扰作用,我们给予D2D通信速率一个下界阈值限制。求解这个数学模型就是在保证蜂窝用户信息安全的基础上增大蜂窝系统的吞吐量。然而这个问题仍为一个难以求解的非凸问题。我们提出了资源调度算法来求解非凸问题。通过求解,我们提出了蜂窝用户的调度区域-安全区域来筛选出蜂窝用户与D2D用户复用频谱同时保障蜂窝用户的保密容量为正值。我们求出了最大化蜂窝用户保密容量的功率闭式解,并且利用它来分析蜂窝保密容量的性质。我们提出了蜂窝用户与D2D用户对的配对原则。仿真结果描述了安全区域的性质并且评估了功率算法的性能。同时仿真结果表明,我们提出的功率控制方案可以有效提高蜂窝用户的保密容量,保证蜂窝链路和D2D链路的正常通信。我们所做的贡献可以用来解决任意窃听者窃听与D2D用户对配对的蜂窝用户信息的情况下的保护信息安全与减少有害干扰的问题。
【关键词】：Device-to-Device 通信 干扰管理 物理层安全 保密容量 资源调度
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 英文缩略语表13-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景和意义14
• 1.2 D2D通信技术14-17
• 1.2.1 D2D通信介绍和研究现状14-16
• 1.2.2 D2D通信现状分析16-17
• 1.3 本文研究内容17-19
• 1.3.1 系统总速率优化及蜂窝信息泄露速率抑制18-19
• 1.3.2 蜂窝用户保密容量优化19
• 1.4 本文的主要工作及章节安排19-22
• 第二章 D2D通信概述22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 D2D通信系统结构22-26
• 2.2.1 D2D通信在蜂窝网络中的应用模型22-23
• 2.2.2 D2D通信建立机制23-24
• 2.2.3 D2D用户与蜂窝用户的资源分配方式24-25
• 2.2.4 D2D和蜂窝网络的相互干扰25-26
• 2.3 蜂窝网络控制下的D2D通信的物理层安全概述26-31
• 2.3.1 蜂窝网络中的物理层安全概述26-27
• 2.3.2 蜂窝网络中窃听模型27-28
• 2.3.3 信息安全和物理层安全研究现状28-30
• 2.3.4 面向嵌入D2D通信的蜂窝系统的物理层安全研究现状30-31
• 2.4 蜂窝网络的资源调度31-32
• 2.4.1 功率控制31
• 2.4.2 多信道分配31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 总速率优化和蜂窝信息泄露抑制的研究34-50
• 3.1 系统模型和数学建模34-37
• 3.1.1 物理场景34-35
• 3.1.2 数学问题建模35-37
• 3.2 资源调度算法37-45
• 3.2.1 准入区域控制原则37-40
• 3.2.2 功率控制分配方案40-44
• 3.2.3 D2D用户配对原则44
• 3.2.4 资源调度算法小结44-45
• 3.3 数值仿真设计45-49
• 3.3.1 准入区域仿真设计45-46
• 3.3.2 功率分配方案性能46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 蜂窝保密容量优化和D2D通信质量的研究50-66
• 4.1 引言50
• 4.2 系统模型和数学建模50-53
• 4.2.1 系统模型51-52
• 4.2.2 数学建模52-53
• 4.3 资源调度算法53-60
• 4.3.1 安全区域53-54
• 4.3.2 最优功率控制方案54-59
• 4.3.3 蜂窝用户选择59
• 4.3.4 结论59-60
• 4.4 数值仿真60-64
• 4.4.1 安全区域仿真60-62
• 4.4.2 功率控制算法评估62-63
• 4.4.3 结论63-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 全文总结66-72
• 5.1 系统总速率优化和蜂窝信息泄露抑制研究总结66-68
• 5.2 蜂窝用户的保密容量优化及D2D链路Qo S保证研究总结68-69
• 5.3 研究展望69-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-80
• 攻读学位期间发表的学术论文目录80-82
• 攻读学位期间参与的项目82

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本文编号：878905