CN108736989A - Swipt系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，计算一个合法用户的保密吞吐量，设置一个阈值来判断是否发生保密中断，进而计算出保密中断概率，通过调节目标保密速率和发射端功率分配比求得最优保密吞吐量；接收端根据接收到的功率以及信息译码灵敏度自适应地调节功率分配系数，仅为信息译码提供满足译码要求的功率，其余全部用于能量收集。解决了现有的SWIPT系统中存在窃听者时保密吞吐量低以及能量收集效率低的问题。

Description

SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法

【技术领域】

本发明属于无线携能技术领域，具体涉及SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法。

【背景技术】

随着无线通信网络的繁荣发展，无线通信设备的数量急剧增多。受设备电池容量大小的约束，其工作时间也受到了限制。为了延长这些便携式设备的使用寿命，我们可以使通信设备在接收信息的同时收集环境中的电磁能量，并将收集到的能量为自身供电，以延长设备的使用寿命。

同时无线信息和能量传输(Simultaneous Wireless Information and PowerTransfer,SWIPT)系统是无线传能与无线通信的结合，在保证设备正常通信的前提下，进行无线能量传输，对自身供电以延长使用寿命。在此系统中，存在着一种非常实用的接收机：功率分配(Power Splitting)接收机，它将收集到的功率按比例分成两部分分别用于信息译码和能量收集。这就使得通信设备在正常通信的同时不断对自身进行充电，延长了自己的工作时间，为解决能量受限的便携式设备的供电问题提供了一种新的思路

波束形成技术引入了空分多址(Space Division Multiple Access,SDMA)方式，其优点如下：该技术利用不同信号的传输路径来区分彼此进行空域滤波，增加了用户的链接数量；波束形成技术可与其他多址技术相结合，进而成倍地扩展通信容量，最大限度地利用有限的频谱资源；此技术具有指向性，可将发射功率集中到期望方向，既可节省发射功率，又可增强其空间保密性。

专利公开号为CN 106850028 A中，发明人提供了一种基于SWIPT系统的联合波束形成方法，属于无线携能通信领域。该发明允许发射端同时发送相互独立的信息波束和能量波束，而接收端进行信息和能量接收时分为两个时隙执行，分别对应信息接收和能量接收。由于发射端采用了波束形成技术，无论是发送信息还是能量都会对准特定的用户。在能量接收时隙，用户间干扰也会成为能量收集的来源。分时隙进行信息和能量接收会提高系统对同步精度的要求，显著提高设备成本。

专利公开号为CN 105119644 A中，发明人提出了一种基于SWIPT的单用户MIMO系统空分模式切换方法，属于MIMO系统空分模式切换领域。此种方法主要是解决MIMO系统空分模式切换方法无法在能量收集和信息译码两种模式之间任意切换的问题。在实施过程中会优先选择用户条件最好的用户进行通信，并为其分配一定数量的天线，以保证系统和速率达到最低传输速率要求，其余天线则用于能量收集，实现信息和能量的同时传输。利用此种方法时，每进行一次信息和能量传输，系统都会重新进行一次天线划分，实施过程复杂。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，以解决现有的SWIPT系统中存在窃听者时保密吞吐量低以及能量收集效率低的问题。

本发明采用以下技术方案：SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，计算一个合法用户的保密吞吐量，设置一个阈值来判断是否发生保密中断，进而计算出保密中断概率，通过调节目标保密速率和发射端功率分配比求得最优保密吞吐量；接收端根据接收到的功率以及信息译码灵敏度自适应地调节功率分配系数，仅为信息译码提供满足译码要求的功率，其余全部用于能量收集。

进一步的，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将用户的保密中断概率P_so定义为疑义速率小于窃听信道容量的概率，其表达式如下：

其中，C_e是窃听信道的信道容量，R_e表示疑义速率(即R_e＝R_m-R₀，R_m指的是发射端的信息传输速率)，γ_e指的是窃听信道的信干噪比，是窃听信道的高斯白噪声功率，C_m是主信道的信道容量，R₀(0≤R₀≤C_m)是目标保密速率，β表示窃听信道的信道增益，是偏离主信道方向的发射功率与主信道功率的比值，P表示主信道方向的发射功率，θ是信息信号功率与发射功率的比值，表示窃听信道增益β的均值；

为了保证可靠通信以及保密中断概率不恒为1，保密中断概率P_so的自变量θ和R₀的取值范围受到以下约束：

其中，是主信道的高斯白噪声功率，α表示主信道的信道增益；

步骤2、将保密吞吐量T_s定义为目标保密速率R₀与保密概率1-P_so的乘积，将步骤1中的保密中断概率P_so代入下式：

其中，为常量，而是关于目标保密速率R₀的函数；对于任意给定的θ，使得保密吞吐量T_s最大化的最优目标保密速率R₀可以表示为：

其中

将步骤1中得到的θ和R₀的取值范围分别进行等间隔取值(步长自定)，即θ∈[θ^D θ^D+Δθ … θ^U-Δθ θ^U]，R₀∈[0 ΔR₀ … C_m-ΔR₀ C_m]，其中θ^D和θ^U分别表示θ的上限和下限；为了获得最佳保密吞吐量T_s，分别求得各个θ对应的最优目标保密速率将获得的对代入(11)即可获得θ对应的最佳保密吞吐量T_s，通过比较得到最优的以及对。

进一步的，接收端采用PS接收机，其按照比例ρ(0＜ρ≤1)将PS接收机收到的功率分配于信息译码，余下的1-ρ分配给能量收集；

其中，接收端功率分配系数ρ为：

ε表示信息译码灵敏度，P_r指的是天线收集到的功率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：利用波束形成技术为用户同时传输信息与能量，用户采用了PS结构对接收到的功率进行分配以同时进行信息译码和能量收集，不需要为信息和能量的传输分配不同的时隙，减少了同步的开销，也不需要为信息和能量的每次传输分配天线，降低了系统的复杂度。通过调节信息和能量的功率分配比θ以及目标保密速率R₀，就可获得最优的保密吞吐量；通过调节接收端功率分配系数ρ，最小化信息译码的功率，高效地进行能量收集。采用波束形成技术可以使得最优的保密吞吐量以及能量收集得到数十上百倍的提升。

【附图说明】

图1是本发明系统模型图；

图2是本发明N-天线一维等距线阵图；

图3是本发明发射信号幅度的归一化方向图；

图4是本发明T_s随R₀变化的仿真图；

图5是本发明T_s随θ变化的仿真图；

图6是本发明波束形成与单天线广播模式下最佳保密吞吐量的比值；

图7是本发明波束形成技术下与具有相同发射功率的单天线发射幅度对比图。

【具体实施方式】

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，计算一个合法用户的保密吞吐量，设置一个阈值来判断是否发生保密中断，进而计算出保密中断概率，通过调节目标保密速率和发射端功率分配比求得最优保密吞吐量；为了进行高效地进行能量收集，接收端根据接收到的功率以及信息译码灵敏度自适应地调节功率分配系数，仅为信息译码提供满足译码要求的功率，其余全部用于能量收集。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、将用户的保密中断概率P_so定义为疑义速率小于窃听信道容量的概率，其表达式如下：

其中，C_e是窃听信道的信道容量，R_e表示疑义速率(即R_e＝R_m-R₀，R_m指的是发射端的信息传输速率)，γ_e指的是窃听信道的信干噪比，是窃听信道的高斯白噪声功率，C_m是主信道的信道容量，R₀(0≤R₀≤C_m)是目标保密速率，β表示窃听信道的信道增益，是偏离主信道方向的发射功率与主信道功率的比值，P表示主信道方向的发射功率，θ是信息信号功率与发射功率的比值，表示窃听信道增益β的均值；

为了保证可靠通信以及保密中断概率不恒为1，保密中断概率P_so的自变量θ和R₀的取值范围受到以下约束：

其中，是主信道的高斯白噪声功率，α表示主信道的信道增益。

步骤2、将保密吞吐量定义为目标保密速率R₀与保密概率1-P_so的乘积，将步骤1中的保密中断概率P_so代入下式得到：

其中，为常量，而是关于目标保密速率R₀的函数；对于任意给定的θ，使得保密吞吐量T_s最大化的最优目标保密速率R₀可以表示为：

其中

将步骤1中得到的θ和R₀的取值范围分别进行等间隔取值(步长自定)，即θ∈[θ^D θ^D+Δθ … θ^U-Δθ θ^U]，R₀∈[0 ΔR₀ … C_m-ΔR₀ C_m]，其中θ^D和θ^U分别表示θ的上限和下限；为了获得最佳保密吞吐量T_s，分别求得各个θ对应的最优目标保密速率将获得的对代入(11)即可获得θ对应的最佳保密吞吐量T_s；通过比较得到最优的T_s ^*以及对。

步骤3、接收端采用PS接收机，其按照比例ρ(0＜ρ≤1)将PS接收机收到的功率分配于信息译码，余下的1-ρ分配给能量收集；

由于能量收集是在满足正常通信的前提下进行的，因此，在满足步骤2中的约束条件的情况下，接收端功率分配系数ρ的自动调节在高效地能量收集中就显得尤为重要，其自动调节如下：

其中ε表示信息译码灵敏度，P_r指的是天线收集到的功率。

为了将尽可能多的功率用于能量收集，接收机将根据系数ρ自适应地调节功率分配状态，使得用于信息译码的功率去掉其中的人为噪声后刚好达到信息译码灵敏度，余下部分全部用于能量收集，以高效地延长便携式设备的使用寿命。

实施例

1.系统模型的建立，并设定系统参数

本发明实例研究包含单个发射端、用户和窃听者的单小区系统，建立的系统模型如图1所示。其中小区基站配备了N根天线形成等距线阵，其结构如图2所示，天线的数量会直接影响主瓣功率的集中程度，以及旁瓣零极点的状况，本实施例中取N＝9，在实际情况中天线数一般可取数根到数十根。通常情况下基站只会对扫描范围内的用户提供通信服务，本实施例将扫描范围设定为(-90°,90°)。在设置相邻天线间距离时，由于射频信号的波长(频率)一般是固定的，且扫描范围已经确定，为了避免栅瓣的出现要满足d/λ≤1/(1+sin90°)，本实施例中取d/λ＝1/2，为了计算方便，激励电流的相位差φ设置为0。设基站指向用户方向的功率P＝1W，其余方向的发射功率则为ξP，P_t可以通过对ξP积分得到。扫描范围内发射信号幅度的归一化方向图如图3所示。任意天线的发射信号均包含信息信号和能量信号，两者功率与发射功率的比值分别为θ(0≤θ≤1)和1-θ。设小区基站完美已知合法用户的信道状态信息。

2.设定主信道和窃听信道的信道系数分别为和且加性高斯白噪声为n～CN(0,σ²)且σ²＝1W。

3.推导保密吞吐量的计算公式。由于β＝|g|²，经过推导本实施例设定主信道功率增益α＝1dB，根据以上条件，计算保密中断概率和保密吞吐量；

4.在取值范围内调节目标保密速率和发射端功率分配比，以实现最优的保密吞吐量。如图4所示，对于任意给定的θ，都存在一个使得保密吞吐量最大，在θ的取值范围内等间隔取值并比较相应的最大保密吞吐量，即可获得最优保密吞吐量。对于任意给定的R₀，保密吞吐量随θ的变化如图5所示；

5.当窃听信道的信道增益一定时，窃听者位于不同位置，基站发送给窃听者的信号幅度如图3所示，与具有相同发射功率的单天线广播模式相比，其最优保密吞吐量增益如图6所示；

6.小区基站对波束赋形后，其发射幅度与具有相同发射功率的单天线的发射幅度对比如图7所示，除用于信息译码所必需的功率外，其余功率全部用于能量收集。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，其特征在于，计算一个合法用户的保密吞吐量，设置一个阈值来判断是否发生保密中断，进而计算出保密中断概率，通过调节目标保密速率和发射端功率分配比求得最优保密吞吐量；接收端根据接收到的功率以及信息译码灵敏度自适应地调节功率分配系数，仅为信息译码提供满足译码要求的功率，其余全部用于能量收集。

2.如权利要求1所述的SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将用户的保密中断概率P_so定义为疑义速率小于窃听信道容量的概率，其表达式如下：

其中，C_e是窃听信道的信道容量，R_e表示疑义速率(即R_e＝R_m-R₀，R_m指的是发射端的信息传输速率)，γ_e指的是窃听信道的信干噪比，是窃听信道的高斯白噪声功率，C_m是主信道的信道容量，R₀(0≤R₀≤C_m)是目标保密速率，β表示窃听信道的信道增益，是偏离主信道方向的发射功率与主信道功率的比值，P表示主信道方向的发射功率，θ是信息信号功率与发射功率的比值，表示窃听信道增益β的均值；

为了保证可靠通信以及保密中断概率不恒为1，保密中断概率P_so的自变量θ和R₀的取值范围受到以下约束：

其中，是主信道的高斯白噪声功率，α表示主信道的信道增益；

步骤2、将保密吞吐量T_s定义为目标保密速率R₀与保密概率1-P_so的乘积，将步骤1中的保密中断概率P_so代入下式：

其中，为常量，而是关于目标保密速率R₀的函数；对于任意给定的θ，使得保密吞吐量T_s最大化的最优目标保密速率R₀可以表示为：

其中

将步骤1中得到的θ和R₀的取值范围分别进行等间隔取值(步长自定)，即θ∈[θ^D θ^D+Δθ… θ^U-Δθ θ^U]，R₀∈[0 ΔR₀ … C_m-ΔR₀ C_m]，其中θ^D和θ^U分别表示θ的上限和下限；为了获得最佳保密吞吐量T_s，分别求得各个θ对应的最优目标保密速率将获得的对代入(11)即可获得θ对应的最佳保密吞吐量T_s，通过比较得到最优的以及对。

3.如权利要求2所述的SWIPT系统中最优保密吞吐量和高效能量收集的实现方法，其特征在于，接收端采用PS接收机，其按照比例ρ(0＜ρ≤1)将PS接收机收到的功率分配于信息译码，余下的1-ρ分配给能量收集；

其中，接收端功率分配系数ρ为：

ε表示信息译码灵敏度，P_r指的是天线收集到的功率。