CN108495337A - 基于noma的无线携能通信系统最大安全速率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法先建立基于NOMA的无线携能通信系统，系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的射频信号中获取能量，并会窃听BS发送给IR的信息；根据NOMA技术的原理，BS发送给IR的信息通过叠加编码技术发射信号，表达式如下：式中，a_m是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，x_m是第m个IR的机密信息，σ²是加性高斯白噪声；通过调整优化参数a_m，所述方法能够实现为ER提供一定能量，为IR提供一定信息速率，并在ER窃听信息的情况下，为IR提供最大的安全信息速率的目的。

Description

基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法

技术领域

本发明涉及无线传输领域，具体涉及一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法。

背景技术

随着网络日益增长，设备接入和业务需求越来越大，频谱资源日益匮乏，所需的能耗也大大增加。NOMA(Non-orthogonal Multiple Access，非正交多址接入)作为一种可以提供更高的频谱效率以及更多接入的技术，从而获得更多的关注，成为了下一代移动通信多址技术的热门候选之一。不同于以往3G的码分接入和4G的正交频分复用，NOMA系统将同样频谱资源分配给多个用户，并通过分配不同的功率来实现功率复用，而信道条件好的用户进行SIC(串行干扰消除)来消除来自其他用户的干扰，从而增加系统的总容量。

无线携能通信(SWIPT，Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer)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。在无线网络中采用SWIPT可以有效地避免低能无线电池的频繁充电。另外，设备可以近距离部署在基站周围，使得移动设备可以获取更多能量。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信息。但是现有的网络都是单一的NOMA网络或SWIPT网络，无法同时解决接入和能耗的问题以及关于安全性的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为解决设备接入和能耗的问题，在保障系统用户信息吞吐量和能量获取量的情况下，优化功率分配最大化系统安全速率，提供了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机 IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS 发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h₁|²≤|h₂|²≤...≤|h_M|²和0<|g₁|²≤|g₂|²≤...≤|g_K|²，其中|h_m|²表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|g_k|²表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA 的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，a_m是第m个IR的信号发射功率分配系数，P 是BS的信号发射总功率，x_m是第m个IR的机密信息，σ²是加性高斯白噪声；

步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC(串行干扰消除)接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量E_k；

步骤3、利用安全信息速率的定义，得出第k个ER窃听第m个IR接收的可达安全信息速率和无线携能通信系统总的可达安全信息速率从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件如下：

其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下无线携能通信系统的最大总的可达安全信息速率；公式(2)～(4)为约束函数，公式(2)表示为了保证用户公平性，第m个IR接收到的最小可达信息速率为Q_m，公式(3)表示第k个ER接收的最小能量为公式(4)表示分配给每个IR的信号发射功率之和不能大于BS的信号发射总功率P；

步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数 a_m，包括以下步骤：

(a)、根据约束函数公式(2)，求出能够满足所有IR接收到最小可达信息速率所需要的BS信号发射功率P_{min_ir}；

(b)、根据约束函数公式(3)，求出能够满足所有ER接收到最小能量所需要的 BS信号发射功率P_{min_er}；

(c)、比较BS的信号发射总功率P与P_{min_ir}和P_{min_er}的大小；如果P大于P_{min_ir}和P_{min_er}，则进行步骤(d)；否则，返回0，表示该无线携能通信系统的优化目标函数不存在解，即无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s为0；

(d)、最优化的信号发射功率分配系数使得无线携能通信系统在满足IR可达信息速率要求和ER能量获取的情况下，得到最大安全信息速率，按照如下公式求出第m 个IR的信号发射功率分配系数a_m的最优解：

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明提供的基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，与现有的无线携能网络相比，采用了NOMA技术，在信号传输的过程中不仅可以为能量接收机提供一定的能量，同时功率复用，节省了频谱资源，能够为更多的设备提供接入；并且优化基站的功率分配，在信息速率限制和能量限制的条件下，为信息接收机提供最大的安全传输速率。

附图说明

图1为本发明实施例基站BS总功率P和总安全信息速率的关系示意图。

图2为本发明实施例最小信息速率Q_m和总安全信息速率的关系示意图。

图3为本发明实施例最小能量获取E_min和总安全信息速率的关系示意图。

图4为本发明实施例能量接收机数量K和总安全信息速率、总获取能量Total的关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在所述基于NOMA的无线携能通信系统部署一个单天线小区基站BS，M 个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；本实施例采用的信道模型为大尺度衰落模型，如式所示：其中d_m＝80m，表示IR离BS的距离，α＝3表示路径衰落系数，v_m～CN(0,1)为瑞利衰落信道增益；其中d_k＝80m，表示ER离BS的距离，α＝3表示路径衰落系数，v_k～CN(0,1)为瑞利衰落信道增益；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；噪声功率σ²＝-70dbm，所有的仿真结果均为50000次随机产生信道实现的平均值。根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h₁|²≤|h₂|²≤...≤|h_M|²和 0<|g₁|²≤|g₂|²≤...≤|g_K|²，其中|h_m|²表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|g_k|²表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，a_m是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，x_m是第m个IR的机密信息，σ²是加性高斯白噪声；

步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC(串行干扰消除)接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量E_k；公式如下：

其中，η表示能量转化系数；

步骤3、利用安全信息速率的定义，得出在第k个ER窃听的情况下，第m个IR 的可达安全信息速率其中以及无线携能通信系统总的可达安全信息速率从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件如下：

其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下无线携能通信系统的最大总的可达安全信息速率；公式(2)～(4)为约束函数，公式(2)表示为了保证用户公平性，第m个IR接收到的最小可达信息速率为Q_m，公式(3)表示第k个ER接收的最小能量为公式(4)表示分配给每个IR的信号发射功率之和不能大于BS的信号发射总功率P；

步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数 a_m，包括以下步骤：

(a)、根据约束函数公式(2)，求出能够满足所有IR接收其最小可达信息速率所需要的BS信号发射功率P_{min_ir}：

其中先求a_M，再求a_M-1，直到求出 a₁；

(b)、根据约束函数公式(3)，求出能够满足所有ER接收其最小能量所需要的 BS信号发射功率P_{min_er}：

(c)、比较BS的信号发射总功率P与P_{min_ir}和P_{min_er}的大小；如果P大于P_{min_ir}和P_{min_er}，则进行步骤(d)；否则，返回0，表示该无线携能通信系统的优化目标函数不存在解，即无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s为0；

(d)、根据以上几个步骤，得知无线携能通信系统的优化目标函数可解，求解过程包括以下步骤：

d1、能量接收机ER中信道条件越好，其接收的速率越大，所以第K个ER窃听的信息速率最高，所以并假设则：

为了表达简单，定义以下变量和函数：

将上面的定义代入R^s得：

由上式可知原目标函数由M-M_k个子目标函数f_m(t_m)组成，我们先可以求解每一个对应子目标函数f_m(t_m)的子问题，再通过分析得知子问题解的交集就是原问题的解。

首先，对函数f_m(t_m)进行求导得知该函数是递增函数，当取t_m最大时f_m(t_m)取得最大，所以子问题可以简化为：

显然，简化后的子问题是一个凸优化问题，然后得出其KKT条件为：

μ_i≥0,1≤i≤M

λ≥0

其中，μ_i,1≤i≤M和λ为拉格朗日乘子；根据以上的KKT条件可以得出，λ>0和μ_i>0,1≤i≤M，且子问题的最优解在约束条件都取等号时取得，所以上述子问题的解为：

上面的解只是原问题的一个子问题的求解，但是随着子问题的m越来越大，子问题解是一种包含与被包含的关系，即当m＝M-1时，该子问题的解就是原问题的解，因其的解满足前面所有子问题，所以最后原问题的解为：

按照上面的公式即可求出第m个IR的信号发射功率分配系数a_m的最优解，最优化的信号发射功率分配系数使得无线携能通信系统在满足IR可达信息速率要求和ER 能量获取的情况下，得到最大安全信息速率，完成了无线携能通信系统的功率分配。

图1-图4为本实施例提供的最优功率分配策略的仿真效果图；其中M分别取3、4、 5和6，作为比较。

图1的其它参数为：能量接收机ER个数K＝2，每个IR的最小信息速率都取 Q_m＝1bit/s/Hz，能量接收机ER获取的最小能量都为从图1可以看出，当基站总功率P越大，M越大，系统获得的总安全信息速率越大；因为M可以提高系统的分集增益。

图2的其它参数为：能量接收机ER个数K＝2，基站总功率P＝30dbm，能量接收机ER获取的最小能量都为从图2可以看出，当IR的最小信息速率越大，系统获得的总安全信息速率越低，M越大，其下降速率越快；因为最小信息速率Q_m越大和M越大，系统为满足IR的最低速率要求所用的能量越高，从而导致系统总安全速率下降。

图3的其它参数为：能量接收机ER个数K＝2，每个IR的最小信息速率都取 Q_m＝1bit/s/Hz，基站总功率P＝30dbm，从图3可以看出，当越大，系统获得的总安全信息速率越低。

图4的其它参数为：能量接收机ER个数K＝1、2，…，10，基站发射总功率P＝30dbm，每个IR的最小信息速率都取Q_m＝1bit/s/Hz，能量接收机ER获取的最小能量都为从图4可以看出，当随着信息接收机ER的增多，系统总安全速率降低，同时，能量接收机ER获取的总能量越多。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h₁|²≤|h₂|²≤...≤|h_M|²和0<|g1|²≤|g2|²≤...≤|gK|²，其中|h_m|²表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|g_k|²表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，a_m是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，x_m是第m个IR的机密信息，σ²是加性高斯白噪声；

步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量E_k；

步骤3、利用安全信息速率的定义，得出在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s，从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件；

步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数a_m。

2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤3中，在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和系统总的可达安全信息速率R^s的计算公式为：

其中

3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤3中无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件如下：

其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下无线携能通信系统的最大总的可达安全信息速率；公式(2)～(4)为约束函数，公式(2)表示为了保证用户公平性，第m个IR接收到的最小可达信息速率为Q_m，公式(3)表示第k个ER接收的最小能量为公式(4)表示分配给每个IR的信号发射功率之和不能大于BS的信号发射总功率P。

4.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤4的具体过程如下：

(a)、根据约束函数公式(2)，求出能够满足所有IR接收最小可达信息速率所需要的BS信号发射功率P_{min_ir}；

(b)、根据约束函数公式(3)，求出能够满足所有ER接收最小能量所需要的BS信号发射功率P_{min_er}；

(c)、比较BS的信号发射总功率P与P_{min_ir}和P_{min_er}的大小；如果P大于P_{min_ir}和P_{min_er}，则进行步骤(d)；否则，返回0，表示该无线携能通信系统的优化目标函数不存在解，即无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s为0；

(d)、最优化的信号发射功率分配系数使得无线携能通信系统在满足IR可达信息速率要求和ER能量获取的情况下，得到最大安全信息速率，按照如下公式求出第m个IR的信号发射功率分配系数a_m的最优解：

5.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤2中推导出的第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量E_k，公式如下：

其中，η表示能量转化系数。

6.根据权利要求4所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，P_{min_ir}的公式如下：

其中先求a_M，再求a_M-1，直到求出a₁；P_{min_er}的公式如下：