CN106100706B - 一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，包括步骤：首先，能量源节点向信息源节点发送能量信号，信息源节点将接收到的信号转化为能量。然后，信息源节点利用接收到的能量将信息信号发送给目的接收端，但与此同时，由于无线网络的开放特性，网络中的另一窃听节点也能接收到信息信号，对信息进行窃听。本发明构建关于时隙分配比和归一化的信息波束的优化模型，以最大化无线供电通信网络的安全能量效率为优化问题，联合优化时隙分配比和归一化的信息波束，与传统的单一变量优化相比，性能得到很大提升。

Description

一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法。

背景技术

无线能量传输技术由于可以以较为简单的方式延长通信网络的寿命而受到广泛关注。尤其是在战场，水下等恶劣的通信环境下，无线能量传输技术显得尤为重要。因此，综合使用了无线能量传输与信息传输的无线供电通信系统的优化设计成为了无线能量传输领域的热点问题。

对于无线供电通信，存在许多挑战性的问题。首先，必须有效提高能量传输效率。与有线能量传输相比，无线能量传输由于信道衰落和路径损耗，传输效率很低。为了解决这个问题，人们利用多天线增益而采用能量波束来提高无线能量传输的效率。其次，无线供电通信包括能量传输和信息传输两个部分，因此必须对这两者进行权衡。换句话说，就是合理安排能量传输和信息传输的时间，以达到对传输能量的最大利用。再者，由于无线设备的开放特性，无线供电通信在信息传输的过程中可能会被恶意窃听，因此信息安全问题不容忽视。近些年来，物理层安全技术因其仅靠利用物理信道的衰落，噪声等特性而能实现无线信息安全而受到广大学者的研究。物理层安全技术的本质就是最大化合法信道与窃听信道之间的信息速率差。

为了解决无线供电通信网络中无线能量传输效率低，无线能量与信息传输的权衡以及信息安全这些问题，很有必要对系统参数进行联合优化。

发明内容

发明目的：为了解决无线供电通信网络中无线能量传输效率低，无线能量与信息传输的权衡以及信息安全的技术问题，本发明提出一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，该方法对能量与信息发射时间分配与信息波束联合设计进行优化，有效提高系统安全能量效率。

技术方案：本发明提出的技术方案为：一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，所述无线供电通信网络包括能量源节点、信息源节点、窃听节点和目的接收节点；该方法包括以下步骤：

1)能量源节点在每一时隙的前θT时间内以功率P向信息源节点发射射频信号，信息源节点接收信号并将其转化为能量E_h并将其储存；其中，θ为时隙分配比，T为时隙长度；

2)信息源节点首先对发送信息x进行波束成形，然后在每一时隙的后(1-θ)T时间内用从能量源节点获取的能量E_h向目的接收节点发送信号x(θ，w)；其中，w表示归一化的信息波束；

3)目的接收节点和窃听节点接收信息源节点发来的信号，记目的接收节点接收的信号为y_d(θ，w)，窃听节点接收的信号为y_e(θ，w)；

4)根据上述接收信号y_d(θ，w)和y_e(θ，w)，计算目的接收节点的接收信噪比γ_d(θ，w)和窃听节点的接收信噪比γ_e(θ，w)；

5)根据上述接收信噪比γ_d(θ，w)和γ_e(θ，w)，计算目的节点的安全速率为：

R_s(θ，w)＝(1-θ)(log₂(1+γ_d(θ，w))-log₂(1+γ_e(θ，w)))；

6)计算系统每一时隙的能量总消耗P_t(θ)＝θP+P_f；其中，θP表示能量源节点的发射能量信号消耗，P_f表示除了发射能量信号之外的能量源节点与信息源节点之间的固定能量消耗；

7)根据安全速率R_s(θ，w)和系统能量总消耗P_t(θ)计算系统的安全能量效率

8)令和W＝WW^H，则安全能量效率可改写为将对时隙分配比θ和信息波束w的设计转化为对t和W的设计。根据优化理论的特性式中即在对多变量进行优化时，可以先对其中部分变量进行优化，再对剩下的变量进行优化。应用此定理，将优化问题转化为两个子优化问题：给t一个初始值，优化W使η_EE最大，将得到的W带入，对t再进行优化，如此反复迭代，直到收敛，得到最优解(t^*，W^*)。判断η_EE(t，W)是否已收敛的方法为：给定收敛精度Δ，判断是否满足：

|η_EE(t⁽ⁿ⁺¹⁾，W⁽ⁿ⁺¹⁾)-η_EE(t⁽ⁿ⁾，W⁽ⁿ⁾)|＜Δ

若满足，则判定η_EE(t，W)收敛，否则判定η_EE(t，W)未收敛。

9)由和W＝ww^H计算出原优化问题的时隙分配比和波束的最优设计(θ^*，w^*)。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明由于在存在窃听节点的情况下对能量与信息发送时间分配与信息波束的联合设计，不仅保证了系统信息的安全性，同时保证了系统能量的合理利用，显著提高了系统安全能量效率性能。

附图说明

图1是本发明实施例中的系统模型图；

图2是实施例的工作流程图；

图3是实施例所提供的的方法和现有方法的安全能量效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明实施例中的系统模型图，该系统模型由一个能量源节点ES，一个信息源节点IS，一个目的接收节点D和一个窃听节点Eav组成。在本实施例中，除了信息源节点IS使用多天线N_t之外，其它各节点均使用单天线，且使用半双工工作模式。假设所有信道均经历相互独立的平坦瑞丽衰落，在一个时隙时间内是保持不变的，且源节点可以获得全局信道状态信息。为表示方便，将能量源节点到信息源节点的信道向量表示为g，信息源节点到目的接收节点和窃听节点的信道向量分别表示为h_d，h_e。无线供电通信系统工作过程分为两个阶段。第一阶段，能量源节点向信息源节点发送能量信号，进行无线能量传输，第二阶段，信息源节点发送信息信号，进行无线信息传输。

图2是本实施例的工作流程图，具体实现步骤如下：

1)单天线能量源在每一时隙的前θT时间内以功率P向信息源发射射频信号，信息源接收信号并将其转化为能量E_h将其储存。

2)多天线信息源首先对发送信息x进行波束成形，然后在每一时隙的后(1-θ)T时间内用从能量源获取的能量E_h向目的节点发送信号x(θ，w)。

3)目的节点和窃听节点接收信息源发来的信号，记目的节点接收的信号为y_d(θ，w)，窃听节点接收的信号为y_e(θ，w)。

4)根据上述接收信号y_d(θ，w)和y_e(θ，w)，计算目的节点的接收信噪比γ_d(θ，w)和窃听节点的接收信噪比γ_e(θ，w)；

5)根据上述接收信噪比γ_d(θ，w)和γ_e(θ，w)，计算目的节点的安全速率R_s(θ，w)＝(1-θ)(log₂(1+γ_d(θ，w))-log₂(1+γ_e(θ，w)))；

6)计算系统每一时隙的能量总消耗P_t(θ)＝θP+P_f；

7)根据安全速率R_s(θ，w)和系统能量总消耗P_t(θ)计算系统的安全能量效率

8)令和W＝ww^H，则安全能量效率可改写为将对时隙分配比θ和信息波束w的设计转化为对t和W的设计。根据优化理论的特性式中即在对多变量进行优化时，可以先对其中部分变量进行优化，再对剩下的变量进行优化。应用此定理，将优化问题转化为两个子优化问题：给t一个初始值，优化W使η_EE最大，将得到的W带入，对t再进行优化，如此反复迭代，直到收敛，得到最优解(t^*，W^*)。判断η_EE(t，W)是否已收敛的方法为：给定收敛精度Δ，判断是否满足：

|η_EE(t⁽ⁿ⁺¹⁾，W⁽ⁿ⁺¹⁾)-η_EE(t⁽ⁿ⁾，W⁽ⁿ⁾)|＜Δ

若满足，则判定η_EE(t，W)收敛，否则判定η_EE(t，W)未收敛。

9)由和W＝ww^H计算出原优化问题的时隙分配比和波束的最优设计(θ^*，w^*)。

本发明的效果可以通过以下的仿真进一步说明，图3是本次仿真中实施例所提供的的方法和现有方法的安全能量效率对比图。

1、仿真参数设定：

所有的信道均独立产生且服从均值为0，方差为1的复高斯分布。信息源节点使用的天线数N_t＝4，它与其它各节点之间的距离为5m，信道衰落指数为3，天线能量消耗P_ant＝150mW，两源节点基带信号处理的固定能量消耗P_C1＝P_C2＝100mW，能量转化效率η＝0.8，高斯白噪声功率σ_d＝σ_e＝-30dBm。

2、仿真结果：

本发明与现有的能量与信息信号等时隙传输和固定时隙分配方案在上述仿真条件下对安全能量效率进行了仿真比较，仿真结果如图3所示。

从图3中可以看出，本发明相比现有的能量与信息信号等时隙传输和固定时隙分配方案，能明显提升系统的安全能量效率，且提升效果随着能量源的发射功率的增加而增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，其特征在于，所述无线供电通信网络包括能量源节点、信息源节点、窃听节点和目的接收节点；该方法包括以下步骤：

(1)将每个时隙T分为两段，前θT时间为第一段，后(1-θ)T为第二段，其中θ为时隙分配比；能量源节点在每一时隙的前θT时间内以功率P向信息源节点发射射频信号，信息源节点将接收到的射频信号转化为能量E_h并储存；信息源节点首先对待发送的信息进行波束成形，然后在对应时隙的后(1-θ)T时间内用从能量源节点获取的能量E_h向目的接收节点发送信号x(θ，w)，其中，w表示归一化的信息波束；记目的接收节点接收到的信号为y_d(θ，w)，窃听节点接收到的信号为y_e(θ，w)；

(2)根据y_d(θ，w)和y_e(θ，w)分别计算目的接收节点的接收信噪比γ_d(θ，w)和窃听节点的接收信噪比γ_e(θ，w)；

(3)根据目的接收节点的接收信噪比γ_d(θ，w)和窃听节点的接收信噪比γ_e(θ，w)计算目的接收节点的安全速率为：

R_s(θ，w)＝(1-θ)(log₂(1+γ_d(θ，w))-log₂(1+γ_e(θ，w))) (1)

(4)计算每一时隙的能量总消耗P_t(θ)＝θP+P_f；其中，θP表示能量源节点的发射能量信号消耗，P_f表示除了发射能量信号之外的能量源节点与信息源节点之间的固定能量消耗；

(5)根据R_s(θ，w)和P_t(θ)计算所述无线供电通信网络的安全能量效率为：

(6)定义中间变量和W＝ww^H并带入式(2)，得到：

以式(3)为问题模型，以最大化η_EE(t，W)为目标问题，求解问题模型的最优解(t^*，W^*)，包括步骤：

1)给定一初始值t₀，令t＝t₀，定义n＝1；

2)求解当前t下使η_EE(t，W)最大化的W⁽ⁿ⁾；

3)求解W⁽ⁿ⁾下使η_EE(t，W)最大化的t⁽ⁿ⁾；

4)将t⁽ⁿ⁾和W⁽ⁿ⁾带入公式(3)，判断求得的η_EE(t，W)是否已收敛，若判断结果为是，则输出t⁽ⁿ⁾和W⁽ⁿ⁾；若判断结果为否，则令n＝n+1，返回步骤2)；

(7)根据步骤(6)中求得的t⁽ⁿ⁾和W⁽ⁿ⁾，由和W＝ww^H计算出最优时隙分配比θ^*和归一化的信息波束w^*。

2.根据权利要求1所述的一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，信息源节点采用最大比合并的方式收集能量，其获取的能量E_h的表达示为：

E_h＝ηP||g||²θT

其中，0＜η≤1，表示信息源节点将接收的能量转化为可存储的电子能量的转化效率，g表示能量源节点到信号源节点的信道向量；

信息源节点的发送信号的表达式为：

目的接收节点接收到的信号和窃听节点接收到的信号的表达式分别为：

式中，h_d、h_e分别为信息源节点到目的接收节点和窃听节点的信道向量；n_d、n_e为信道中的加性高斯白噪声，其方差分别为和

3.根据权利要求2所述的一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中目的接收节点的接收信噪比γ_d(θ，w)和窃听节点的接收信噪比γ_e(θ，w)的计算公式分别为：

4.根据权利要求3所述的一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，P_f的表达式为：

P_f＝(N_t+1)P_ant+P_C1+P_C2

式中，(N_t+1)P_ant表示所述无线供电通信网络的动态能量损耗，N_t表示发射天线数目，P_C1，P_C2分别表示能量源节点和信息源节点对基带信号处理的固定能量消耗。

5.根据权利要求4所述的一种无线供电通信网络的安全能量效率优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中η_EE(t，W)的表达式为：

且采用了松弛变量的方法求解给定t下的W，即在求解过程中忽略对W秩为1的限制；

式中，tr(·)表示取矩阵的迹运算；

步骤4)中判断η_EE(t，W)是否已收敛的方法为：给定收敛精度Δ，判断是否满足：

|η_EE(t⁽ⁿ⁺¹⁾，W⁽ⁿ⁺¹⁾)-η_EE(t⁽ⁿ⁾，W⁽ⁿ⁾)|＜Δ

若满足，则判定η_EE(t，W)收敛，否则判定η_EE(t，W)未收敛。