CN107172705B - 无线携能异构网络的波束优化方法及系统 - Google Patents

无线携能异构网络的波束优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种无线携能异构网络的波束优化方法和系统，无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量。FBS配备有NF根天线，MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；FBS发送信号给IR，信号用矢量表示为：
Figure DDA0001276843520000011
其中sI表示信号中承载信息的数据符号；
Figure DDA0001276843520000012
表示FBS天线的波束成形矢量；
Figure DDA0001276843520000013
是与所述sI相互独立，均值为0，方差为VE的人工噪声矢量。MBS发送数据符号sm给宏小区用户MUs。通过调整优化参数人工噪声
Figure DDA0001276843520000014
的协方差矩阵VE、FBS天线的波束形成矢量
Figure DDA0001276843520000015
和MBS天线的
Figure DDA0001276843520000016
实现为能量接收机提供能量，为信息接收机提供信息，并在能量接收机窃听信息的场景下，为信息接收机提供最大的安全传输速率。

Description

无线携能异构网络的波束优化方法及系统
技术领域
本发明提供一种无线携能异构网络的波束优化方法及系统，属于无线传输领域。
背景技术
由于互联网智能设备的高度普及(比如智能手机、平板电脑等)，极大地促进了高速率多媒体无线服务的快速发展，这使得移动运营商必须在下一代5G无线通信中提供更高的容量和更广的覆盖范围。通过增加小区密度获得更高的空间频谱复用是一种十分有效的解决手段。异构网络(HCN,Heterogeneous Network)由于可以实现无缝覆盖和更高的数据速率，成为一种前景广阔的网络密集化构架，并引起了学术界和工业界的广泛关注。在异构网络中，布置的微小区共享已存在的宏小区的频谱资源，在增大频谱效率的同时也带来了层间干扰。另外，微小区基站由于距离移动终端较近所以发射功率通常比宏小区基站小很多。
众所周知，异构网络构建了一种多个终端具有不同属性的多层拓扑结构，由于异构网络固有的开放性以及无线信道的广播特性，使得网络中的无线信息极容易被窃听。为此，物理层安全的提出被视为一种极为有效的解决手段。通过利用物理信道例如噪声和干扰的随机特性来实现安全传输，物理层安全已被证实能够大幅度提高异构网络的无线安全性能。
随着5G网络日益增长的业务需求，所需的能耗也大大增加，同步无线信息和功率传输(SWIPT,Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)被认为是为能量受限的无线系统供能的一种有效方法。相比传统的风能、太阳能等自然能源，能量接收机可以从周围环境的射频信号中获取能量。在异构网络中采用SWIPT可以有效地避免低能无线电池的频繁充电和更换。另外，部署微小区之后，移动设备与其服务基站之间采用短距离通信方式，使得移动设备可以更加高效地获取能量。
由于功率灵敏度对能量接收端和信息接收端的要求不同，能量接收机相较于信息接收机有更好的信道条件，因此能量接收机可以窃听基站传输给信息接收机的机密信息。如何在无线携能异构网络中实现安全传输是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种无线携能异构网络的波束优化方法。
考虑的场景如图1所示，在无线携能的两层异构网络中，部署了宏小区基站(MBS,Macrocell base station)和微小区基站(FBS,Femtocell base station)；微小区基站服务K+1个微小区用户(FUs，Femtocell users)，宏小区基站服务M个宏小区用户(MUs,Macrocell users)。为了提高频谱效率，两者共享一定的频谱资源。宏小区基站配备了NM≥M根发射天线，微小区基站配备了NF≥K+1根发射天线，小区中的每个用户均为单接收天线。本发明假定，微小区基站可以传送无线能量，微小区中存在两类用户分别为一个信息接收机和K个能量接收机，微小区基站只考虑K个能量接收机通过射频信号获取能量的情况，K个能量接收机被认为会窃听微小区基站发送给信息接收机的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量。
Figure BDA0001276843500000021
表示宏小区用户MUs的集合，
Figure BDA0001276843500000022
表示能量接收机ERs的集合，宏小区中第m个宏小区用户表示为MUm，微小区第k个能量接收机表示为ERk；从宏小区基站MBS到MUm的信道参数，从MBS到信息接收机IR的信道参数和从MBS到ERk的信道参数分别表示为hm，hI,0和gk,0，从微小区基站FBS到信息接收机IR之间的信道参数为hI，从FBS到ERk的信道参数为gk，从FBS到MUm的信道参数为lm。所有信道参数相互独立，各元素均为独立同分布的复高斯随机变量。
步骤一：微小区基站发送数据给信息接收机。
为了实现安全传输并且在ERs端实现能量获取，FBS为了防止ERs的窃听，采用人工噪声辅助的波束成形方案，因此发送信号矢量可以表示为
Figure BDA0001276843500000023
其中sI表示承载信息的数据符号，
Figure BDA0001276843500000024
表示波束成形矢量；因此，
Figure BDA0001276843500000025
承载着发送给IR的机密信息。为了不失一般性，我们设定
Figure BDA0001276843500000026
表示发送信号的功率为1，上标T表示矢量的转置。
Figure BDA0001276843500000027
为均值为0，方差为VE的复高斯随机变量，表示由FBS发出了承载能量的人工噪声矢量，与sI相互独立；人工噪声矢量
Figure BDA0001276843500000028
会同时干扰IR和ERs；
步骤二：宏小区基站MBS发送数据符号给宏小区中第m个宏小区用户MUm。
设
Figure BDA0001276843500000029
为宏小区基站MBS向宏小区中的用户MUm发送的数据符号，
Figure BDA00012768435000000210
为相应的波束成形矢量，则MUm接收到的信号为
Figure BDA00012768435000000211
其中，上标H表示矢量的共轭转置，
Figure BDA0001276843500000031
表示MUm端的加性高斯白噪声，式(2)中的第一项为MUm预期的信号，第二项为宏小区中其他用户的干扰，最后两项为异构网络的层间干扰和背景噪声。
为了便于分析，宏小区用户均采用单用户检测，即层间干扰和层内干扰都被当作背景噪声的一部分，因此，MUm端的信号和噪声干扰比(SINR，signal to interferenceplus noise ratio)可以表示为
Figure BDA0001276843500000032
由于ERs会窃听FBS发送给IR的机密信号
Figure BDA0001276843500000033
因此IR和ERk收到的信号分别为：
Figure BDA0001276843500000034
Figure BDA0001276843500000035
其中，nI和nE，k分别表示IR端和ERk端的加性高斯白噪声，其方差分别为
Figure BDA0001276843500000036
和
Figure BDA0001276843500000037
通过式(4)和式(5)可以看出，IR和ERs除了受到背景噪声的干扰，还有来自MUs的干扰。
可以得到本系统的总传输功率为：
Figure BDA0001276843500000038
其中Tr(·)表示矩阵的迹；ERk端获取的能量为：
Figure BDA0001276843500000039
其中，ξ∈(0,1]为能量转换效率，表示将采集的能量转换为电能时存在的损失。
根据式(4)和式(5)表示的接收信号，给定
Figure BDA00012768435000000310
则可达到的瞬时保密通信速率为：
Figure BDA00012768435000000311
其中，[x]+＝max{x,0}，
Figure BDA00012768435000000312
和
Figure BDA00012768435000000313
分别为IR端和ERk端可达到的通信速率，可以分别表示为：
Figure BDA0001276843500000041
Figure BDA0001276843500000042
由于FBS和MBS共享一样的频谱资源，所以存在层间干扰会降低IR和ERk接受信号的质量，但是同时也对ERk有益，因为ERk可以从层间干扰中获取能量。因此，需要谨慎地设计安全波束成形方案，在对IR影响最小的情况下降低ERk的信道质量。在这种情况下，我们进行波束成形矢量
Figure BDA0001276843500000043
Figure BDA0001276843500000044
和人工噪声协方差矩阵VE的联合优化，在满足每个MU的SINR要求，系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到IR最大的最小安全通信速率，所谓最小安全通信速率是指指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure BDA0001276843500000045
之差。此优化问题可以表示为：
Figure BDA0001276843500000046
Figure BDA0001276843500000047
Ptot≤Pth, (11c)
Figure BDA0001276843500000048
VE≥0. (11e)
其中，式(11a)是目标函数，表示IR端的最小安全通信速率取最大值，CI表示IR端的通信速率，
Figure BDA0001276843500000049
表示ERk端的通信速率CE,k在变量k＝{1,2,…,K}中的最大值；式(11b)～(11e)是约束函数，Γm为MUm的SINR要求，Pth表示最大发射功率阈值，Qk表示在ERk端规定的获取的能量值。
设公式(11a)～(11e)的求解为问题(11)，这是一个优化问题。由于优化问题(11)的目标函数构成了两个凸函数的差值，所以此优化问题是非凸问题，由于过高的计算复杂度，采用一般的优化方案很难解决此问题。
步骤三：利用一阶泰勒展开和SCA(Successive Convex Approximation，连续凸近似)技术近似优化问题(11)。
为了简化表示，我们假定
Figure BDA0001276843500000051
通常假设MBS和FBS知道所有接收机的信道状态指示(CSI，Channel status indicator)；首先定义新矩阵：
Figure BDA0001276843500000052
和
Figure BDA0001276843500000053
满足rank(Wm)≤1和rank(WI)≤1，其中rank(·)表示矩阵的秩；当Wm≠0时，rank(Wm)＝1；当WI≠0时，rank(WI)＝1；引入实值松弛变量γI和γE，松弛变量x1，x2，x3，x4k，x5k，x6k，辅助变量v1,v2,u1k,u2k；定义新矩阵
Figure BDA0001276843500000054
Figure BDA0001276843500000055
定义
Figure BDA0001276843500000056
和
Figure BDA0001276843500000057
分别为变量x2，x3，x4k和γE通过利用一阶泰勒级数在
Figure BDA0001276843500000058
和
Figure BDA0001276843500000059
上展开的第[n-1]次迭代后的结果，问题(11)可以转化为：
Figure BDA00012768435000000510
Figure BDA00012768435000000511
Tr(HIWI)≥v1 (12c)
Figure BDA00012768435000000512
Tr(GkWI)≤u1k (12e)
Figure BDA00012768435000000513
Figure BDA00012768435000000514
Figure BDA00012768435000000515
Figure BDA00012768435000000516
Figure BDA00012768435000000517
Figure BDA00012768435000000518
Figure BDA00012768435000000519
Figure BDA00012768435000000520
Figure BDA0001276843500000061
Figure BDA0001276843500000062
设公式(12a)～(12o)的求解为问题(12)。问题(12)是一个凸问题，可以使用凸优化方法解决；作为优选解法如下。
步骤四：采用迭代算法解决问题(12)，具体步骤如下：
步骤四.1、根据问题(12)初始化
Figure BDA0001276843500000063
并设置n＝0；
步骤四.2、根据
Figure BDA0001276843500000064
解决凸问题(12)，获得最优值
Figure BDA0001276843500000065
步骤四.3、更新
Figure BDA0001276843500000066
并令n＝n+1；
步骤四.4、直到满足
Figure BDA0001276843500000067
输出最优解的结果，其中ε为算法的收敛容差；
至此，完成无线携能异构网络的波束优化。
同时，本发明提供一种无线携能异构网络的波束优化系统，所述无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；FBS发送信号给IR，所述信号用矢量表示为：
Figure BDA0001276843500000068
其中sI表示信号中承载信息的数据符号；
Figure BDA0001276843500000069
表示FBS天线的波束成形矢量；
Figure BDA00012768435000000610
是与所述sI相互独立，均值为0，方差为VE的人工噪声矢量。
进一步地，该系统采用上述无线携能异构网络的波束优化方法工作，实现无线携能异构网络的波束优化。
本发明能获得以下有益效果：
1.本发明是一种无线携能异构网络的安全传输方案，与现有的物理层安全传输方案相比，采用了适用于下一代5G无线通信的异构网络构架，在传输过程中，为能量接收机提供能量，为信息接收机提供信息，并在能量接收机窃听信息的场景下，为信息接收机提供最大的安全传输速率。
2.本发明所述方法及系统采用能量和信息同时传输的网络，避免了频繁地充电和更换无线设备的电池，有助于延长设备的寿命，实现绿色通信。
3.本发明所述方法及系统能够在通信过程中满足每个宏小区用户的SINR要求，在系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到信息接收机最大的安全通信速率，保障系统的正常通信。
附图说明
图1为本发明提出的一种无线携能异构网络的波束优化方法及系统示意图；
图2为本发明提出的一种无线携能异构网络的波束优化方法在不同随机信道实现下的收敛性对比图；
图3为本发明提出的一种无线携能异构网络的波束优化方法在发射功率门限下与其他方案的保密速率性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
在无线携能的两层异构网络中，部署了宏小区基站(MBS,Macrocell basestation)和微小区基站(FBS,Femtocell base station)；微小区基站服务3个微小区用户(FUs，Femtocell users)，宏小区基站服务2个宏小区用户(MUs,Macrocell users)，为了提高频谱效率，两者共享一定的频谱资源。宏小区基站配备了NM＝4根发射天线，微小区基站配备了NF＝4根发射天线，小区中的每个用户均为单接收天线。本发明假定，微小区基站可以传送无线能量，微小区中存在两类用户分别为1个信息接收机和2个能量接收机，微小区基站只考虑2个能量接收机通过射频信号获取能量的情况，2个能量接收机实际上会窃听微小区基站发送给信息接收机的机密信息。
Figure BDA0001276843500000071
表示宏小区用户MUs的集合，
Figure BDA0001276843500000072
表示能量接收机ERs的集合，宏小区中第m个宏小区用户表示为MUm，微小区第k个能量接收机表示为ERk；从宏小区基站MBS到MUm的信道参数，从MBS到信息接收机IR的信道参数和从MBS到ERk的信道参数分别表示为hm，hI,0和gk,0,从微小区基站FBS到信息接收机IR之间的信道参数为hI,从FBS到ERk的信道参数为gk,从FBS到MUm的信道参数为lm；上述信道参数相互独立,各元素均为独立同分布的复高斯随机变量；本实施例中采用的信道模型有大尺度衰落模型和小尺度衰落模型，采用的大尺度衰落信道模型如式(13)所示
Figure BDA0001276843500000073
其中，常数A0＝1，d表示发射机和接收机之间的距离，d0表示参考距离设置为1，α为路损指数，设置为3。设置层间传输距离和层内传输距离分别为5m和2m；小尺度衰落信道的各参数满足独立同分布的
Figure BDA0001276843500000081
所有的仿真结果均为1000次随机产生信道实现的平均值。
步骤1：微小区基站发送数据给信息接收机。
为了实现安全传输并且在ERs端实现能量获取，FBS为了防止ERs的窃听采用人工噪声辅助的波束成形方案，因此发送信号矢量可以表示为
Figure BDA0001276843500000082
其中sI表示承载信息的数据符号，
Figure BDA0001276843500000083
表示波束成形矢量；因此，
Figure BDA0001276843500000084
承载着发送给IR的机密信息。为了不失一般性，我们设定
Figure BDA0001276843500000085
Figure BDA0001276843500000086
为均值为0，方差为VE的复高斯随机变量，表示由FBS发出了承载能量的人工噪声矢量，与sI相互独立；人工噪声矢量
Figure BDA0001276843500000087
会同时干扰IR和ERs；
步骤2：宏小区基站MBS发送数据符号给宏小区用户MUm。
设
Figure BDA0001276843500000088
为宏小区基站MBS向宏小区中的用户MUm发送的数据符号，
Figure BDA0001276843500000089
为相应的波束成形矢量，则MUm接收到的信号为：
Figure BDA00012768435000000810
其中，
Figure BDA00012768435000000811
表示MUm端的加性高斯白噪声，式(15)中的第一项为MUm预期的信号，第二项为宏小区中其他用户的干扰，最后两项为异构网络的层间干扰和背景噪声。
为了便于分析，宏小区用户均采用单用户检测，即层间干扰和层内干扰都被当做是背景噪声的一部分，因此，MUm端的信号和噪声干扰比(SINR，signal to interferenceplus noise ratio)可以表示为
Figure BDA00012768435000000812
由于ERs会窃听FBS发送给IR的机密信号
Figure BDA00012768435000000813
因此IR和ERk收到的信号分别为：
Figure BDA00012768435000000814
Figure BDA0001276843500000091
其中，IR端和ERk端的加性高斯白噪声的方差分别为
Figure BDA0001276843500000092
和
Figure BDA0001276843500000093
通过式(17)和式(18)可以看出，IR和ERs除了受到背景噪声的干扰还有来自MUs的干扰；
可以得到本系统的总传输功率为：
Figure BDA0001276843500000094
ERk端获取的能量为：
Figure BDA0001276843500000095
其中,ξ∈(0,1]为能量转换效率,表示将采集的能量转换为电能时存在损失；
根据式(17)和式(18)表示的接收信号,给定
Figure BDA0001276843500000096
则可达到的瞬时保密通信速率为：
Figure BDA0001276843500000097
其中,[x]+＝max{x,0},
Figure BDA0001276843500000098
和
Figure BDA0001276843500000099
分别为IR端和ERk端可达到的通信速率,可以表示为：
Figure BDA00012768435000000910
Figure BDA00012768435000000911
由于FBS和MBS共享一样的射频资源,所以存在层间干扰会降低IR和ERk的接受信号的质量,但是同时也对ERk有益,因为ERk可以从层间干扰中获取能量。因此,需要谨慎地设计安全波束成形方案,在对IR影响最小的情况下降低ERk的信道质量。在这种情况下,我们进行波束成形矢量
Figure BDA00012768435000000912
和人工噪声协方差矩阵VE的联合优化,在满足每个MU的SINR要求,系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下,找到IR最大的安全通信速率,此优化问题可以表示为：
Figure BDA0001276843500000101
Figure BDA0001276843500000102
Ptot≤Pth, (24c)
Figure BDA0001276843500000103
VE≥0. (24e)
其中，Γm为MUm的SINR要求，令Γm＝Γ＝5dBm，Pth表示最大发射功率阈值，设置为40dBm,Qk表示在ERk端规定的获取的能量值，令Qk＝Q＝20dBm；
式(24a)～(24e)的求解属于一个优化问题，称为优化问题(24)。由于优化问题(24)的目标函数构成了两个凸函数的差值，所以此优化问题是非凸问题，由于过高的计算复杂度，采用一般的优化方案很难解决此问题；
步骤3：利用一阶泰勒展开和SCA(Successive Convex Approximation，连续凸近似)技术近似优化问题(24)。
令
Figure BDA0001276843500000104
通常假设MBS和FBS知道所有接收机的信道状态指示(CSI，Channel status indicator)；定义新矩阵：
Figure BDA0001276843500000105
和
Figure BDA0001276843500000106
满足rank(Wm)≤1和rank(WI)≤1；当Wm≠0时，rank(Wm)＝1；当WI≠0时，rank(WI)＝1；引入实值松弛变量γI和γE，松弛变量x1,x2,x3,x4k，x5k，x6k，辅助变量v1,v2,u1k,u2k，定义新矩阵
Figure BDA0001276843500000107
Figure BDA0001276843500000108
定义
Figure BDA0001276843500000109
和
Figure BDA00012768435000001010
分别为变量x2，x3，x4k和γE通过利用一阶泰勒级数在
Figure BDA00012768435000001011
和
Figure BDA00012768435000001012
上第[n-1]次迭代后的结果。问题(24)可以转化为：
Figure BDA00012768435000001013
Figure BDA00012768435000001014
Tr(HIWI)≥v1 (25c)
Figure BDA00012768435000001015
Tr(GkWI)≤u1k (25e)
Figure BDA0001276843500000111
Figure BDA0001276843500000112
Figure BDA0001276843500000113
Figure BDA0001276843500000114
Figure BDA0001276843500000115
Figure BDA0001276843500000116
Figure BDA0001276843500000117
Figure BDA0001276843500000118
Figure BDA0001276843500000119
Figure BDA00012768435000001110
式(25a)～(25o)的求解属于一个优化问题，称为问题(25)。问题(25)是一个凸问题，可以使用凸优化方法解决；
步骤4：采用迭代算法解决问题(25)，具体步骤如下：
步骤4.1、根据问题(25)初始化
Figure BDA00012768435000001111
并设置n＝0；
步骤4.2、根据
Figure BDA00012768435000001112
解决凸问题(25)，获得最优值
Figure BDA00012768435000001113
步骤4.3、更新
Figure BDA00012768435000001114
并令n＝n+1；
步骤4.4、直到满足
Figure BDA00012768435000001115
输出最优解的结果，其中ε为算法的收敛容差。
至此，完成无线携能异构网络的波束优化。
本方法在最大发射功率阈值Pth＝40dBm条件下，多种随机信道实现下的收敛性能，仿真结果如图2所示。可以看出我们提出的方法能够在仅仅4次迭代后就有效收敛到稳定点，表示该算法收敛速度快，因而计算复杂度低。
如图3所示是本发明提出的方案、正交策略方案、无人工噪声方案以及无保密方案的可达到的安全速率的性能对比。可以看出，提出的方案在不同的发射功率下性能总是优于其他三种方案。这表示添加人工噪声可以提高信息接收机的安全传输性能。而且，随着最大发射功率阈值的增加，本发明提出的无线携能异构网络可达到的安全速率随之增大。

Claims (8)

1.一种无线携能异构网络的波束优化方法，所述无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；其特征在于，所述方法包括：
FBS发送信号给IR的步骤，所述信号用矢量表示为：
Figure FDA0002463138370000011
其中sI表示信号中承载信息的数据符号；
Figure FDA0002463138370000012
表示FBS天线的波束成形矢量；
Figure FDA0002463138370000013
是与所述sI相互独立，均值为0，方差为VE的人工噪声矢量；
MBS通过所述MBS天线发送数据符号给宏小区中第m个宏小区用户MUm的步骤，所述MUm接收到的信号用矢量表示为
Figure FDA0002463138370000014
其中
Figure FDA0002463138370000015
表示从MBS到第k个能量接收机ERk的信道参数矢量，上标H表示矢量的共轭转置，
Figure FDA0002463138370000016
表示所述MBS天线的波束成形矢量，sm表示所述MBS向宏小区中的用户MUm发送的数据符号，
Figure FDA0002463138370000017
表示所述MBS发送给第i个宏小区用户的波束成形矢量，si表示所述MBS向第i个宏小区用户发送的数据符号，
Figure FDA0002463138370000018
表示从FBS到MUm的信道参数矢量，nm表示MUm接收信号的背景噪声；
以及联合优化波束成形矢量
Figure FDA0002463138370000019
和人工噪声
Figure FDA00024631383700000110
的步骤，在满足每个MU的SINR要求，系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到IR最大的最小安全通信速率，所谓最小安全通信速率是指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure FDA00024631383700000111
之差；其中:
Figure FDA00024631383700000112
式中，
Figure FDA00024631383700000113
表示从FBS到IR之间的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000114
表示从MBS到IR的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000115
表示IR端的加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA00024631383700000116
表示从FBS到ERk的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000117
表示从MBS到ERk的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000118
表示ERk端的加性高斯白噪声的方差。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述联合优化的目标满足下式：
Figure FDA0002463138370000021
Figure FDA0002463138370000022
Ptot≤Pth, (1c)
Figure FDA0002463138370000023
VE≥0 (1e)
其中式(1a)是目标函数，表示IR端的最小安全通信速率取最大值，CI表示所述IR端的通信速率，
Figure FDA0002463138370000024
表示ERk端的通信速率CE,k在变量k＝{1,2,…,K}中的最大值；式(1b)～(1e)是约束函数，
Figure FDA0002463138370000025
其中
Figure FDA0002463138370000026
表示MUm端加性高斯白噪声nm的方差，SINRm表示MUm端的信号和噪声干扰比，Γm为MUm的SINRm要求，
Figure FDA0002463138370000027
表示表示MUs的集合
Figure FDA0002463138370000028
Ptot表示所述网络的总传输功率，Pth表示所述网络的最大发射功率阈值；Ek表示ERk端获取的能量，Qk表示在ERk端规定的获取的能量值，
Figure FDA0002463138370000029
表示能量接收机ERs的集合
Figure FDA00024631383700000210
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述联合优化包括利用一阶泰勒展开和连续凸近似技术近似的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述近似满足下式表示的凸问题：
Figure FDA00024631383700000211
Figure FDA00024631383700000212
Tr(HIWI)≥v1 (2c)
Figure FDA00024631383700000213
Tr(GkWI)≤u1k (2e)
Figure FDA00024631383700000214
Figure FDA0002463138370000031
Figure FDA0002463138370000032
Figure FDA0002463138370000033
Figure FDA00024631383700000321
Figure FDA0002463138370000034
Figure FDA0002463138370000035
Figure FDA0002463138370000036
Figure FDA0002463138370000037
Figure FDA0002463138370000038
其中，式(2a)是目标函数，
Figure FDA0002463138370000039
满足rank(Wm)≤1和rank(WI)≤1，其中rank(·)表示矩阵的秩，当Wm≠0时，rank(Wm)＝1，当WI≠0时，rank(WI)＝1，γI和γE表示实值松弛变量，x1，x2，x3，x4k，x5k，x6k表示松弛变量；式(2b)～(2o)是约束函数，Tr(·)表示矩阵的迹，
Figure FDA00024631383700000310
v1,v2,u1k,u2k为辅助变量，
Figure FDA00024631383700000311
Figure FDA00024631383700000312
和
Figure FDA00024631383700000313
分别为变量x2，x3，x4k和γE利用一阶泰勒级数在
Figure FDA00024631383700000314
和
Figure FDA00024631383700000315
上展开的第[n-1]次迭代后的结果。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述凸问题通过迭代算法求解。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述凸问题的求解包括以下步骤：
(a).初始化
Figure FDA00024631383700000316
并设置n＝0；
(b).根据
Figure FDA00024631383700000317
解决式(2a)～(2o)所示的凸问题，获得最优值
Figure FDA00024631383700000318
(c).更新
Figure FDA00024631383700000319
并令n＝n+1；
(d).直到满足
Figure FDA00024631383700000320
输出最优解的结果，其中ε为算法的收敛容差。
7.一种无线携能异构网络的波束优化系统，所述无线携能异构网络部署有宏小区基站MBS和微小区基站FBS，MBS服务M个宏小区用户MUs，FBS服务K+1个微小区用户FUs，FUs包括信息接收机IR和能量接收机ERs两类，ERs会窃听FBS发送给IR的机密信息，并从周围环境的射频信号中获取能量；所述FBS配备有NF根天线，所述MBS配备有NM根天线，FBS的天线和MBS的天线共享一样的频谱资源；FBS发送信号给IR，所述信号用矢量表示为：
Figure FDA0002463138370000041
其中sI表示信号中承载信息的数据符号；
Figure FDA0002463138370000042
表示FBS天线的波束成形矢量；
Figure FDA0002463138370000043
是与所述sI相互独立，均值为0，方差为VE的人工噪声矢量；MBS通过所述MBS天线发送数据符号给宏小区中第m个宏小区用户MUm，所述MUm接收到的信号用矢量表示为
Figure FDA0002463138370000044
其中
Figure FDA0002463138370000045
表示从MBS到第k个能量接收机ERk的信道参数矢量，上标H表示矢量的共轭转置，
Figure FDA0002463138370000046
表示所述MBS天线的波束成形矢量，sm表示所述MBS向宏小区中的用户MUm发送的数据符号，
Figure FDA0002463138370000047
表示所述MBS发送给第i个宏小区用户的波束成形矢量，si表示所述MBS向第i个宏小区用户发送的数据符号，
Figure FDA0002463138370000048
表示从FBS到MUm的信道参数矢量，nm表示MUm接收信号的背景噪声；联合优化波束成形矢量
Figure FDA0002463138370000049
和人工噪声
Figure FDA00024631383700000410
在满足每个MU的SINR要求，系统总发射功率限制和能量获取限制的条件下，找到IR最大的最小安全通信速率，所谓最小安全通信速率是指IR端通信速率CI与窃听信号的多个能量接收机中的最大通信速率
Figure FDA00024631383700000411
之差；其中:
Figure FDA00024631383700000412
式中，
Figure FDA00024631383700000413
表示从FBS到IR之间的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000414
表示从MBS到IR的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000415
表示IR端的加性高斯白噪声的方差，
Figure FDA00024631383700000416
表示从FBS到ERk的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000417
表示从MBS到ERk的信道参数矢量，
Figure FDA00024631383700000418
表示ERk端的加性高斯白噪声的方差。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求2～6所述方法进行优化。
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