CN106535342B - 用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法，针对存在多个上行用户、下行用户和窃听者的全双工蜂窝网络，采用基于二部图匹配的资源分配方法BGRA，根据全双工蜂窝网络构建二部图，将多用户资源分配问题转化为二部图最大权值匹配问题，最优子图是全部边权值的总和为最大的子图，通过获得的二部图G的最优子图G′，合理分配资源块RB和功率资源。本发明能够实现全双工***中上下行链路的互相协作，进而增强物理层的安全性能；还能够以较低的计算复杂度，获得全双工蜂窝***近似最优的安全容量，由此达到提升***安全容量的目的。

Description

用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及全双工网络通信技术，具体涉及一种应用于全双工蜂窝网络在物理层安全场景下的资源分配方法，通过合理分配频谱和功率资源有效提升网络的物理层安全性能。
背景技术
现今，为了满足日益增长的对数据传输速率的需求，多种多样的通信技术被广泛提出。全双工通信技术能够通过在一个无线节点同时收发数据进而有效提升频谱效率，因此被看做是未来LTE-Advanced网络中的关键技术。对于全双工技术而言，最重要的挑战来自于自干扰问题，也就是全双工无线节点自身的发射天线对接收天线产生的强烈干扰。这为全双工技术的广泛应用带来了阻碍。近年来，很多关于全双工的研究致力于提出有效的自干扰消除方案，例如天线分离(antenna separation)，以及在模拟域和数字域上的自干扰消除(analog and digital cancellation)等方案。
在另一方面，随着人们对于无线网中数据传输安全性的要求逐渐提高，信息安全开始成为关键性问题。和传统密码学在网络架构上层的应用不同，物理层安全技术主要研究如何利用无线网络中物理层信道的特征，实现绝对意义上的安全通信，即可以在没有高层加密或者被窃听者窃取密钥的情况下仍然能提供有效的保密通信。在物理层安全技术中，为了衡量网络的安全性能，安全容量的概念被提出，定义为绝对安全下的网络最大可达速率。协作中继和协作干扰是两种重要的提升安全容量的手段。
全双工***是一个天然的协作干扰***。在全双工场景下，不论窃听者窃听上行(或下行)蜂窝通信链路的信息，那么对应同时同频的下行(或上行)蜂窝通信链路的传输信号对窃听者来说都是一个有效的干扰，也就是说在全双工网络中不需要额外的干扰节点的协助，就可以实现协作干扰对安全通信性能所带来的有效增益。因此，将全双工技术应用到物理层安全之中引起了研究者的广泛关注。近年来，一篇文献研究了全双工中继***对于物理层安全性能的影响，分析了该场景下的中断概率(Outage probability)。还有人研究了在MIMO***中，通过设计波束成形方案提升***安全容量。也有工作将物理层安全作为限制条件，研究全双工***中的自干扰消除问题。
但是，现有的工作很少研究多用户全双工网络下的物理层安全场景，目前尚缺少适用于全双工网络在物理层安全场景下的资源分配方案，这种场景下整个网络的安全容量低，难以满足应用需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配技术方案，该方案被命名为基于二部图匹配的资源分配方法(BipartiteGraph Based Resource Allocation Scheme,BGRA算法)，可在全双工蜂窝网络存在多上行用户和下行用户、并且存在恶意窃听者的场景下，通过合理分配资源块(Resource Block，RB)和功率资源，提升***安全容量。
本发明的原理是：针对存在多个上行用户、下行用户和窃听者的全双工蜂窝网络，基于二部图匹配的资源分配方法BGRA具体是：根据全双工蜂窝网络构建二部图，将多用户资源分配问题转化为二部图最大权值匹配问题，最优子图是全部边权值的总和为最大的子图，通过获得的二部图G的最优子图G′，合理分配资源块RB和功率资源。具体实施时，本发明限制二部图G的子图中每一个节点与另外一边的一个节点连接；子图中每一个链路对只能分配到一个RB，每个RB也只能分配给一个链路对。本发明能够以较低的计算复杂度，获得全双工蜂窝***近似最优的安全容量，由此达到提升***安全容量的目的。
本发明提供的技术方案是：
一种用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法，针对存在M个上行用户、N个下行用户和1个窃听者的全双工蜂窝网络，每一条上行链路用Ui表示，每一条下行链路用Dj表示，窃听者同时窃听上行链路和下行链路的信息，基站工作于全双工模式，全部带宽被分为K个资源块RB，每一个RB由多个子载波组成，设定上行链路在第k个RB上的发射功率为下行链路在第k个RB上的发射功率为不同链路的信道增益为hk；采用基于二部图匹配的资源分配方法BGRA，通过合理分配资源块RB和功率资源，提升***安全容量；所述资源分配方法包括以下步骤：
S1)针对全双工蜂窝网络，根据网络拓扑结构构建得到二部图G＝(U,V,E)；
其中，U为RB集合，元素uk代表第k个RB；V为链路对集合，元素vij代表链路对(Ui,Dj)；E为边集合，元素为节点uk与vij连接的边权值，代表链路对(Ui,Dj)选择采用第k个RB进行通信时，该链路对最大的保密速率；
当存在二部图G′＝(U′,V′,E′)，有时，图G′为图G的子图；
S2)通过基于梯度投影的功率分配方法GPPA计算得到步骤1)所得二部图中边的权值；
S3)采用基于二部图匹配的资源分配方法BGRA对资源块进行匹配，得到匹配结果；所述BGRA方法定义以下A和B：
A.对于二部图G＝(U,V,E)，集合U中的每一个RB节点uk有一个优先级队列L(uk)，其中的元素是集合V中的链路对节点vij，并按照uk与不同节点连接所得到的边的权值进行排列，边权值大的节点排在L(uk)队列的前面；
B.对于每一个节点uk和vij，都有一个匹配结果，用S(·)来表示；如果节点uk和vij相连接，则有S(uk)＝vij和S(vij)＝uk；节点vij代表一个上下行链路对(Ui,Dj)，S(vij)＝uk等价于S(Ui)＝uk和S(Dj)＝uk；
所述BGRA方法具体包括如下步骤：
1)进行初始化，执行操作a)～b)：
a)通过基于梯度投影的功率分配方法GPPA计算得到二部图中每条边的权值；
b)计算得到二部图中每一个RB节点的优先级队列；
c)将表示最终结果的子图G′＝(U′,V′,E′)置为空；
2)判断以下两个条件之一是否被满足：
a)所有RB节点都已被配对；
b)所有上行/下行链路节点都已被配对；
如不满足，执行步骤3)；否则转到步骤9)，算法结束；
3)循环遍历每一个RB节点，初始化节点下标k＝1；
4)判断第k个节点是否已被配对；如果已配对，转到步骤7)；否则执行步骤5)；
5)RB节点uk向链路对位于其优先级队列L(uk)中的第一个节点提出配对请求；
6)判断以下两个条件之一是否被满足：
a)链路对节点vij包含的上行链路Ui和下行链路Dj都未配对；
b)Ui或Dj已配对，但对于来说，与uk进行配对能够获得更大的边权值；
如果满足，则链路对节点接受uk的配对请求，更新配对结果和并将相应的节点和边加入子图G′＝(U′,V′,E′)；否则，链路对节点拒绝配对请求，保留原来的配对结果；
7)设定k＝k+1；当k≤K时，转到步骤4)；否则执行步骤8)；
8)更新全部RB节点的优先级列表，即在每一个RB节点的优先级列表中删除已经配对的链路对节点；转到步骤2)；
9)算法结束；根据得到的子图G′＝(U′,V′,E′)确定资源分配，得到匹配结果；
S4)根据匹配结果，将资源块RB和相应功率分配给对应的上下行链路。
针对上述资源分配方法，进一步地，所述二部图G的子图中每一个节点与另外一边的一个节点连接；所述子图中每一个链路对只能分配到一个RB，每个RB也只能分配给一个链路对；所述资源分配方法根据获得的二部图G的最优子图G′来进行资源分配，所述最优子图是全部边权值的总和为最大的子图。
针对上述资源分配方法，进一步地，步骤S2)通过GPPA方法计算二部图中边的权值，所述权值为全部的上下行链路对(Ui,Dj)在第k个RB上的安全速率，得到近似最优上下行链路功率组合具体包括如下步骤：
1)初始化：设置迭代次数t＝0；上行链路功率下行链路功率充分小量ε＝0.0001；
2)迭代过程，执行如下操作a)～d)：
a)通过线性搜索法找到合适的迭代步长α；
b)采用梯度下降法通过多次迭代逐步逼近最优解，设定上行链路和下行链路功率的临时变量x和y为式7：
c)更新上下行链路在本次迭代后的功率为式8：
其中，mid函数表示三者中位于中间的元素；
d)如果迭代前后的结果之差小于所述充分小量，迭代终止；即满足式9即终止迭代：
否则，设定迭代次数t＝t+1，回到步骤a)重新进行迭代过程；
e)得到最终近似最优上下行链路功率组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的资源分配方案可在全双工蜂窝网络存在多上行用户和下行用户，并且存在恶意窃听者的场景下，通过合理分配资源块(Resource Block，RB)和功率资源，提升***安全容量。本发明具有以下优点：
一、创新性地提出了基于二部图匹配的资源分配的机制，能够实现全双工***中上下行
链路的互相协作，进而增强物理层的安全性能；
二、在全双工蜂窝网络物理层安全场景下，提出一种BGRA方案解决多用户的资源分配
问题，能够以较低复杂度得到近似最优的安全容量。
附图说明
图1是本发明实施例中的全双工物理层安全场景的***模型示意图；
其中，模型包括全双工基站、上行用户、下行用户和窃听者；TX为基站的发射天线；RX为基站的接收天线；由上行用户指向基站的带箭头实线代表上行链路，由基站指向下行用户的带箭头实线代表下行链路。窃听者同时窃听上行链路和下行链路的信息，两条窃听链路在图中由带箭头的虚线表示。
图2是本发明实施例中基于***模型构建的二部图；
其中，节点uk代表第k个RB；节点vij代表第i条上行链路和第j条下行链路组合而成的链路对；uk和vij的连线代表边权值，即链路对(Ui,Dj)选择采用第k个RB进行通信时，该链路对最大的保密速率。
图3是本发明实施例中BGRA方案所定义的一个子图样例；
其中，节点和边的含义如图2所描述。实线所表示的边，和它们连接的节点，构成了子图中的元素。
图4是本发明实施例中GPPA算法的流程图。
图5是本发明实施例中BGRA方案算法流程图。
图6是本发明实施例提供的BGRA方案和其他现有三种方案在***安全容量方面的性能比较曲线图。
图7是本发明实施例中描述GPPA方案收敛性的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配技术方案(被命名为基于二部图匹配的资源分配方法，Bipartite Graph Based Resource AllocationScheme，BGRA算法)，利用本资源分配方案，可在全双工蜂窝网络存在多上行用户和下行用户、并且存在恶意窃听者的场景下，通过合理分配资源块(Resource Block，RB)和功率资源，提升***安全容量。本资源分配方法包括以下步骤：
1)针对全双工蜂窝网络，根据网络拓扑结构构建二部图(Bipartite Graph)；
2)通过基于梯度投影的功率分配方案GPPA(Gradient Projection Based PowerAllocation Scheme,GPPA)计算二部图中边的权值；
3)采用基于二部图匹配的资源分配方法，在满足一定限制条件的情况下，找到一组节点和边，使得边的权值之和尽可能大，对资源块进行匹配，得到匹配(分配)结果；
限制条件指的是：子图中每一个节点与另外一边的一个节点连接；每一个链路对只能分配到一个RB，而每个RB也只能分配给一个链路对。
4)根据匹配结果，将资源块RB和相应功率分配给对应的上下行链路。
步骤2)提到的GPPA方案作为BGRA方案中的子方案，包含在BGRA方案的实施过程中。
图1是本发明实施例的应用场景示意图。在此场景中，存在M个上行用户、N个下行用户和1个窃听者。每一条上行链路用Ui表示，每一条下行链路用Dj表示。窃听者同时窃听上行链路和下行链路的信息。基站工作于全双工模式，即其发射天线和接收天线能够同时工作，上行用户、下行用户和窃听者都只配备了一根天线。考虑正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术应用于我们的研究场景，全部带宽被分为K个资源块(RB)，每一个RB由多个子载波组成，并且在每一个RB上，信道经历平坦衰落。设定上行链路在第k个RB(RBk)上的发射功率为下行链路在第k个RB(RBk)上的发射功率为不同链路的信道增益采用hk表示。
在此场景中，根据香农公式，第k个RB上的***容量可表示为式1：
其中，SINR表示信号与干扰加噪声比(Signal-to-Interference-plus-NoiseRatio)。由于窃听者能够同时窃听上行和下行信道，因此，第k个RB上的窃听信道容量可以描述为式2：
因此，整个网络在第k个RB上的安全容量可表示为式3：
其中，分别代表上行链路、下行链路、基站自干扰链路、上行链路对下行链路的干扰、上行链路的窃听链路、下行链路的窃听链路的信道增益。
本发明的目的是找到最优的RB分配和功率控制方案，使得***总保密容量最大。该目标可描述为式4：
其中，Π为RB分配矩阵，P为功率分配矩阵；上述四个限制条件中，第一个限制条件中的表示第k个RB是否分配给第i个上行链路与第j个下行链路；第二个限制条件说明每一条链路只能占用一个RB；第三个限制条件说明每一个RB只能分配给一个链路对；第四个限制条件说明每条上行链路和下行链路在所有RB上的功率之和小于对应允许的发射功率最大值。
图2和图3表示了对应于发明内容步骤1)中的二部图构建方法。如图2所示，我们用G＝(U,V,E)表示图模型。其中，U为RB集合，uk代表第k个RB；V为链路对集合，元素vij代表链路对(Ui,Dj)；E为边集合，元素代表节点uk与vij连接的边权值，这个权值代表链路对(Ui,Dj)选择采用第k个RB进行通信时，该链路对最大的保密速率。
基于构建的二部图，我们给出如下三个定义：
a)若存在二部图G′＝(U′,V′,E′)，有则称图G′为图G的子图。
b)对于二部图G＝(U,V,E)，定义函数f(G)为全部边权值的总和，即表示为式5：
c)对于二部图G＝(U,V,E)，节点x的度定义为与节点x相连接的节点个数，用d(x)来表示。
根据以上定义，式5和式6描述的优化问题可以转化为找到二部图G的最优子图G′，使得f(G′)值最大，即
此处的限制条件对应于发明内容中步骤3)所述的限制条件。前两个限制条件表明，子图中每一个节点与另外一边的一个节点连接；第三个限制条件和第四个限制条件代表每一个链路对只能分配到一个RB，而每个RB也只能分配给一个链路对。
在应用BGRA算法之前，我们需要首先通过GPPA算法计算二部图中边的权值，也即全部的上下行链路对(Ui,Dj)在第k个RB上的安全速率。图4示出了对应于发明内容2)的基于梯度投影的功率分配方法(GPPA算法)的流程，可用于求解近似最优上下行链路功率组合具体包括：
3)初始化：迭代次数t＝0；上行链路功率下行链路功率充分小量ε＝0.0001。
4)迭代过程：
a)通过线性搜索法(line search)找到合适的迭代步长α。由于线性搜索法是求解优化问题时，常用的寻找每一次迭代合适步长的方法，且其不属于本发明内容，在这里不展开说明。
b)设定上行链路和下行链路功率的临时变量x和y为式7：
这是基于梯度下降法的思路。梯度下降法是求解优化问题的常用策略，通过多次迭代逐步逼近最优解。
c)更新上下行链路在本次迭代后的功率为式8：
其中，mid函数表示三者中位于中间的元素。
d)如果迭代前后的结果之差小于一个充分小量，迭代终止；即满足式9即终止迭代：
否则，设定迭代次数t＝t+1，回到步骤a)重新进行迭代过程。
e)得到最终近似最优上下行链路功率组合。
在实施基于二部图匹配的资源分配方法(BGRA算法)之前，我们给出两个定义：
A.对于二部图G＝(U,V,E)来说，集合U中的每一个RB节点uk有一个优先级队列L(uk)，其中的元素是集合V中的链路对节点，并按照uk与不同节点连接所得到的边的权值进行排列，边权值大的节点排在L(uk)队列的前面。
B.对于图中的每一个RB节点uk和链路对节点vij，都有一个匹配结果，这个结果用S(·)来表示。如果节点uk和vij相连接，则有S(uk)＝vij和S(vij)＝uk。由于节点vij代表一个上下行链路对(Ui,Dj)，因此我们把匹配的概念引申到单独的上行链路和下行链路，即S(vij)＝uk等价于S(Ui)＝uk和S(Dj)＝uk。
基于以上定义，图5给出了对应于发明内容3)的BGRA算法流程。具体包括：
10)初始化：
a)通过GPPA算法计算二部图中每条边的权值；
b)计算二部图中每一个RB节点的优先级队列；
c)将表示最终结果的子图G′＝(U′,V′,E′)置为空。
11)判断以下两个条件之一是否被满足：
a)所有RB节点都已被配对；
b)所有上行/下行链路节点都已被配对。
如不满足，执行步骤3)；否则转到步骤9)，算法结束。
12)循环遍历每一个RB节点。初始化节点下标k＝1。
13)判断第k个节点是否已被配对。如果已配对，转到步骤7)；否则执行步骤5)；
14)RB节点uk向链路对位于其优先级队列L(uk)中的第一个节点提出配对请求。
15)判断一下两个条件之一是否被满足：
a)链路对节点vij包含的上行链路Ui和下行链路Dj都未配对；
b)Ui或Dj已配对，但对于来说，与uk进行配对能够获得更大的边权值。
如果满足，则链路对节点接受uk的配对请求，更新配对结果和并将相应的节点和边加入子图G′＝(U′,V′,E′)；否则链路对节点拒绝配对请求，保留原来的配对结果。
16)设定k＝k+1；且如果k≤K，转到步骤4)。
17)更新全部RB节点的优先级列表，即在每一个RB节点的优先级列表中删除已经配对的链路对节点；转到步骤2)；
18)算法结束；根据得到的子图G′＝(U′,V′,E′)确定资源分配方案。
例如，若得到的子图G′中的RB节点集合U′包含节点uk，链路对节点集合V′包含节点vij，边集合E′包含边那么说明上行链路Ui和下行链路Dj都采用RBk进行通信。
图6和图7示出了BGRA算法和GPPA算法的性能评估结果。
图6示出了BGRA方案和贪心资源分配方案、随机资源分配方案和通过穷举法得到的最优方案相比在全双工蜂窝***安全容量上的差异。图6表明，BGRA算法的结果和最优方案十分接近，相比于其他两种方案性能优势明显。这是因为BGRA方案中，每一次迭代都会使***容量向最优解逼近一些。
图7示出了GPPA方案的收敛性能。从图7中可以看出，GPPA方案能够以较低的迭代次数向最优解逼近。这体现了GPPA方案的性能使得BGRA算法的整体复杂度大大降低。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种用于全双工蜂窝网络物理层安全场景的资源分配方法，针对存在M个上行用户、N个下行用户和1个窃听者的全双工蜂窝网络，每一条上行链路用Ui表示，每一条下行链路用Dj表示，窃听者同时窃听上行链路和下行链路的信息，基站工作于全双工模式，全部带宽被分为K个资源块RB，每一个RB由多个子载波组成，设定上行链路在第k个RB上的发射功率为下行链路在第k个RB上的发射功率为不同链路的信道增益为hk；采用基于二部图匹配的资源分配方法BGRA，通过合理分配资源块RB和功率资源，提升***安全容量；所述资源分配方法包括以下步骤：
S1)针对全双工蜂窝网络，根据网络拓扑结构构建得到二部图G＝(U,V,E)；
其中，U为RB集合，元素uk代表第k个RB；V为链路对集合，元素vij代表链路对(Ui,Dj)；E为边集合，元素为节点uk与vij连接的边权值，代表链路对(Ui,Dj)选择采用第k个RB进行通信时，该链路对最大的保密速率；
当存在二部图G′＝(U′,V′,E′)，有时，图G′为图G的子图；
S2)通过基于梯度投影的功率分配方法GPPA计算得到步骤1)所得二部图中边的权值；
所述权值为全部的上下行链路对(Ui,Dj)在第k个RB上的安全速率，得到近似最优上下行链路功率组合具体包括如下步骤：
1)初始化：设置迭代次数t＝0；上行链路功率下行链路功率充分小量ε；
2)迭代过程，执行如下操作a)～d)：
a)通过线性搜索法找到合适的迭代步长α；
b)采用梯度下降法通过多次迭代逐步逼近最优解，设定上行链路和下行链路功率的临时变量x和y为式7：
c)更新上下行链路在本次迭代后的功率为式8：
其中，mid函数表示三者中位于中间的元素；
d)如果迭代前后的结果之差小于所述充分小量，迭代终止；即满足式9即终止迭代：
否则，设定迭代次数t＝t+1，回到步骤a)重新进行迭代过程；
e)得到最终近似最优上下行链路功率组合；
S3)采用基于二部图匹配的资源分配方法BGRA对资源块进行匹配，得到匹配结果；所述BGRA方法定义以下A和B：
A.对于二部图G＝(U,V,E)，集合U中的每一个RB节点uk有一个优先级队列L(uk)，其中的元素是集合V中的链路对节点vij，并按照uk与不同节点连接所得到的边的权值进行排列，边权值大的节点排在L(uk)队列的前面；
B.对于每一个节点uk和vij，都有一个匹配结果，用S(·)来表示；如果节点uk和vij相连接，则有S(uk)＝vij和S(vij)＝uk；节点vij代表一个上下行链路对(Ui,Dj)，S(vij)＝uk等价于S(Ui)＝uk和S(Dj)＝uk；
所述BGRA方法具体包括如下步骤：
1)进行初始化，执行操作a)～b)：
a)通过基于梯度投影的功率分配方法GPPA计算得到二部图中每条边的权值；
b)计算得到二部图中每一个RB节点的优先级队列；
c)将表示最终结果的子图G′＝(U′,V′,E′)置为空；
2)判断以下两个条件之一是否被满足：
a)所有RB节点都已被配对；
b)所有上行/下行链路节点都已被配对；
如不满足，执行步骤3)；否则转到步骤9)，算法结束；
3)循环遍历每一个RB节点，初始化节点下标k＝1；
4)判断第k个节点是否已被配对；如果已配对，转到步骤7)；否则执行步骤5)；
5)RB节点uk向链路对位于其优先级队列L(uk)中的第一个节点提出配对请求；
6)判断以下两个条件之一是否被满足：
a)链路对节点vij包含的上行链路Ui和下行链路Dj都未配对；
b)Ui或Dj已配对，但对于来说，与uk进行配对能够获得更大的边权值；
如果满足，则链路对节点接受uk的配对请求，更新配对结果和并将相应的节点和边加入子图G′＝(U′,V′,E′)；否则，链路对节点拒绝配对请求，保留原来的配对结果；
7)设定k＝k+1；当k≤K时，转到步骤4)；否则执行步骤8)；
8)更新全部RB节点的优先级列表，即在每一个RB节点的优先级列表中删除已经配对的链路对节点；转到步骤2)；
9)算法结束；根据得到的子图G′＝(U′,V′,E′)确定资源分配，得到匹配结果；
S4)根据匹配结果，将资源块RB和相应功率分配给对应的上下行链路。
2.如权利要求1所述资源分配方法，其特征是，所述二部图G的子图中每一个节点与另外一边的一个节点连接；所述子图中每一个链路对只能分配到一个RB，每个RB也只能分配给一个链路对；所述资源分配方法根据获得的二部图G的最优子图G′来进行资源分配，所述最优子图是全部边权值的总和为最大的子图。
3.如权利要求1所述资源分配方法，其特征是，步骤S2)中，充分小量设置为ε＝0.0001。
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