CN109379119A

CN109379119A - 面向3d大规模mimo系统的利用垂直维度进行swipt的传输方法

Info

Publication number: CN109379119A
Application number: CN201811503547.8A
Authority: CN
Inventors: 范立行
Original assignee: Jinling Institute of Technology
Current assignee: Jinling Institute of Technology
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: CN109379119B

Abstract

本发明提供了面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法。所述面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法包括如下步骤：步骤一：当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和步骤二：当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角步骤三：由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k；步骤四：由和V^k，更新和步骤五：当k＝N时，迭代结束，有优化值 V^*＝V^N。

Description

面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术技术领域，具体地涉及面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法。

背景技术

SWIPT近年来在各种无线通信系统中得到了广泛的研究。它为功率受限的无线设备提供可靠和永久的能量支持，以避免有线充电或更换电池，从而确保无线通信的可持续性和移动性。此外，由于信息和功率信号由同一射频波承载，因此通信系统的频谱效率也得到提高。为了在实践中实现SWIPT，接收信号分别分为两个不同的部分，即信息解码(ID)和能量收集(EH)。PS是用于共址信息和能量接收器的一种实用技术，其实现瞬时SWIPT并减少过程延迟。

然而，由于无线信道的开放性，在SWIPT期间可能发生潜在的信息泄露。每个用户是期望用户的潜在窃听者(ED)，其意图从基站(BS)接收信息。传统的上层加密技术可用于提高安全性，但是它们具有高计算复杂性并且消耗大量能量。最初用于给设备充电的传输能量现在用于加密和解密。因此，密码学不是非常经济和节能。物理层安全是保证安全通信的有效替代方案。结构化冗余被添加到可以解码机密消息的预期用户的发送信号中，而ED几乎收不到任何信息。在SWIPT系统中，这种扰乱ED的信号可以被用户收集作为能量。人工噪声(AN)是有意识地混淆ED的有效方法之一。此外，传输设计有助于将传输的信号聚焦在预期用户的方向上，并防止功率泄漏到ED。

大规模MIMO提供极窄的波束，BS部署数百个天线。它可以补偿SWIPT的传播损耗并提高功率传输效率。此外，它具有很大的物理层安全潜力。安全SWIPT已经在大规模MIMO系统中进行了研究。在大规模MIMO安全系统中，被动ED对安全容量的影响可以忽略不计，因为大规模MIMO系统带来的巨大阵列增益和信道强化使得预期用户的信号强度远大于ED的信号强度。ED采取的对策是保持主动模式而不是被动模式。

发明内容

本发明的目的是构建面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法。

本发明采用的技术方案是：面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法包括如下步骤：

步骤一：当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和

步骤二：当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角

步骤三：由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k；

步骤四：由和V^k，更新和

步骤五：当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

优选地，有效利用垂直维度来确保大规模MIMO SWIPT系统中的安全传输，其中信道为莱斯衰落信道；每个用户采用PS技术来分离信息和能量，每个用户都被视为期望用户的潜在窃听者；基站采用AN来迷惑窃听行为；

至少有一个窃听者的AoD与期望用户相等，所以这种类型的窃听者的接收信号在莱斯信道下是高度相关的；因基站配置3D定向天线，根据用户的位置调整下倾角，这样可以利用垂直维度，获取较高的性能增益；

迭代算法联合优化天线下倾角、功率分配、AN协方差和PS比；

步骤一中，当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和其中，m,u为用户的索引，A_u是一个集合，包含了与用户u的AoD相等的窃听者。

优选地，步骤二中，当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角其中，

M为基站天线数，K_u为用户u的莱斯K因子，和分别为安全速率和获取能量的目标；采用二分法找到如下方程的解，即为优化的天线下倾角

为天线噪声，为由ID引入的加性噪声，ξ_u为能量转换效率，θ_u为用户的垂直维度，路径增益β_u(θ_tilt)由下式给出：

其中，ω_u为阴影衰落，服从指数正态分布，标准差为σ_shad，为路径损耗，d_u为基站和用户u的距离，_υ为路径损耗指数，B_u(θ_tilt)为天线增益，以dBi为单位，由下式给出：

φ_u是x轴与基站和第u个用户连线的水平角度，θ_u是水平面与基站和第u个用户连线的垂直角度，θ_tilt是水平面和波束峰值之间的夹角，即下倾角，SLL_az和SLL_el分别是天线方向图在水平面和垂直面的旁瓣电平；φ_3dB和θ_3dB是分别是水平面和垂直面的3dB的波束宽度。

优选地，步骤三中，由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k；CVX需要解决的优化问题是：

s.t.

V±0。

优选地，步骤四中，由和V^k，更新和

采用Polyak次梯度法：

其中，k是迭代次数的索引，t^k-1是正的步长；和是次梯度：

优选地，步骤五中，当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

本发明的有益效果是：

本发明提供的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法可以联合优化基站天线下倾角、AN的协方差、功率分配和PS比。本发明的性能接近通过穷尽搜索得到的最优解，且优于2D和传统的3D方案，这都表明自适应天线下倾角在安全SWIPT中发挥了重要作用。

附图说明

图1为角度示意图；

图2为改变安全速率目标的发射功率；

图3为改变获取功率目标的发射功率。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法包括如下步骤：

步骤一：当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和

步骤四：由和V^k，更新和

步骤五：当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

如图1所示，有效利用垂直维度来确保大规模MIMO SWIPT系统中的安全传输，其中信道为莱斯衰落信道；每个用户采用PS技术来分离信息和能量，每个用户都被视为期望用户的潜在窃听者；基站采用AN来迷惑窃听行为；至少有一个窃听者的AoD与期望用户相等，所以这种类型的窃听者的接收信号在莱斯信道下是高度相关的；因基站配置3D定向天线，根据用户的位置调整下倾角，这样可以利用垂直维度，获取较高的性能增益；迭代算法联合优化天线下倾角、功率分配、AN协方差和PS比。

步骤二中，当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角其中，

步骤三中，由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k；CVX需要解决的优化问题是：

s.t.

V±0。

步骤四中，由和V^k，更新和

采用Polyak次梯度法：

其中，k是迭代次数的索引，t^k-1是正的步长；和是次梯度：

步骤五中，当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

接下来对本发明作进一步地说明：

1、信道为莱斯衰落信道。每个用户采用PS技术来分离信息和能量。每个用户都被视为期望用户的潜在窃听者。基站采用AN来迷惑窃听行为。至少有一个窃听者的AoD与期望用户相等，所以这种类型的窃听者的接收信号在莱斯信道下是高度相关的。因此，影响了安全速率。基站配置3D定向天线。通过调整基站天线下倾角来减轻这个问题。根据用户的位置调整下倾角，这样可以利用垂直维度，获取较高的性能增益。本方案的迭代算法联合优化天线下倾角、功率分配、AN协方差和PS比。本方案性能十分接近通过穷尽搜索得到的最优解，比2D和传统的3D MIMO方案要好。步骤一中，当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和其中，m,u为用户的索引，A_u是一个集合，包含了与用户u的AoD相等的窃听者。

2、当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角其中，

M为基站天线数，K_u为用户u的莱斯K因子，和分别为安全速率和获取能量的目标，ξ_u为能量转换效率。

采用二分法找到如下方程的解，即为优化的天线下倾角

为天线噪声，为由ID引入的加性噪声，θ_u为用户的垂直维度，路径增益β_u(θ_tilt)由下式给出：

其中，ω_u为阴影衰落，服从指数正态分布，标准差为σ_shad，为路径损耗，d_u为基站和用户u的距离，υ为路径损耗指数，B_u(θ_tilt)为天线增益，以dBi为单位，由下式给出：

φ_u是x轴与基站和第u个用户连线的水平角度，θ_u是水平面与基站和第u个用户连线的垂直角度，θ_tilt是水平面和波束峰值之间的夹角，即下倾角，SLL_az和SLL_el分别是天线方向图在水平面和垂直面的旁瓣电平。φ_3dB和θ_3dB是分别是水平面和垂直面的3dB的波束宽度。

3、由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k。CVX需要解决的优化问题是：

s.t.

V±0

4、由和V^k，更新和我们采用Polyak次梯度法。

其中，k是迭代次数的索引，t^k-1是正的步长。和是次梯度：

5、当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

下面对本发明方法与其他方法的性能对比作出说明：

图2到图3另外分析了三种方案的性能，以与本方案进行比较，分别是：

1)由穷尽搜索得到的最优解

2)传统3D MIMO方案：天线下倾角是所有用户的垂直角度的平均值，即θ_tilt＝E[θ_u]

3)2D方案：θ_tilt＝8°

在2)和3)中，当给出天线下倾角时，使用CVX联合优化功率分配，AN协方差和PS比率。仿真参数设置为：我们假设用户u的φ_u和θ_u的水平和垂直角度是在[-π，π]和范围内随机选择的。阴影衰落的标准偏差是σ_shad＝8dB。BS与用户之间的最大距离为10m，路径损耗指数为υ＝3.8。天线噪声功率为ID处的噪声功率为在天线方向图中，水平和垂直3dB波束宽度为φ_3dB＝65°和θ_3dB＝6°。水平和垂直BS天线方向图的旁瓣电平为SLL_az＝25dB和SLL_el＝20dB。对于所有用户，莱斯K因子为K_u＝1。我们假设所有用户的EH能量转换效率为ξ_u＝0.5。

安全速率的目标为获取能量目标为BS天线的数量是M＝100。随着安全速率目标的变化，基站发射功率的性能在图2中显示。获取功率目标固定为0dBm和-5dBm，在图中用“-0”和“-5”表示。随着安全速率目标的增加，发射功率变得更高。图3显示了获取功率目标对BS发射功率的影响。安全速率目固定为1bps/Hz和3bps/Hz，在图中用“-1”和“-3”表示。显然，较大的获取功率目标需要更多的BS发射功率。这两个图都证实了本方案具有非常好的性能，其接近于最佳性能并且优于2D和传统3D MIMO方案。因此，通过调整下倾角来开发垂直维度在安全SWIPT中起重要作用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：当迭代次数k＝1时，初始化拉格朗日乘子和

步骤四：由和V^k，更新和

步骤五：当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。

2.根据权利要求1所述的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于，有效利用垂直维度来确保大规模MIMO SWIPT系统中的安全传输，其中信道为莱斯衰落信道；每个用户采用PS技术来分离信息和能量，每个用户都被视为期望用户的潜在窃听者；基站采用AN来迷惑窃听行为；

迭代算法联合优化天线下倾角、功率分配、AN协方差和PS比；

3.根据权利要求1所述的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于，步骤二中，当迭代次数k＝2,...,N，其中N为最大迭代次数，由和得到PS比和天线下倾角其中，

M为基站天线数，K_u为用户u的莱斯K因子，和分别为安全速率和获取能量的目标；

采用二分法找到如下方程的解，即为优化的天线下倾角

4.根据权利要求1所述的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于，步骤三中，由和使用CVX软件得到功率分配系数和AN的协方差V^k；CVX需要解决的优化问题是：

s.t.

V±0。

5.根据权利要求1所述的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于，步骤四中，由和V^k，更新和

采用Polyak次梯度法：

其中，k是迭代次数的索引，t^k-1是正的步长；和是次梯度：

6.根据权利要求1所述的面向3D大规模MIMO系统的利用垂直维度进行SWIPT的传输方法，其特征在于，步骤五中，当k＝N时，迭代结束，有优化值V^*＝V^N。