CN110062377B - 安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法。本发明步骤如下：步骤1、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法场景假设与建模；步骤2、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的选择策略；步骤3、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的接收波束成型向量设计；步骤4、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化。本发明方法确保了SWIPT通信网络中安全通信性能的要求。

Description

安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，提出了安全无线携能通信网络中存在多个配备功率分割接收机的中继节点最佳功率分割因子与波束成型向量的联合优化方法。

背景技术

随着智能手机的普及和移动互联网应用内容的丰富，人们对移动通信业务的需求远远不止于语音、短信等基本功能。此外，物联网行业的快速兴起使移动通信的服务范围从目前人与人之间的通信进一步扩展到人与物、物与物之间的通信，随之而来的是网络中海量设备的同时在连接。近年来移动通信数据流量呈现出指数增长的态势，且预计在未来较长时间内仍保持高速增长。然而，这种爆炸式的增长也导致发送与接收两端的能量消耗急剧增加。日益增长的能量消耗，对于使用电池供电的通信设备(例如，物联网或者无线传感网中的通信节点)而言，负担不断加重。为了延长整个通信网络的工作寿命，需要频繁地为通信节点更换电池或者充电，这必然导致维护成本的增加。特别地，对于一些部署在特殊的应用环境中(例如部署于高海拔、低气压、严寒等恶劣环境下的测控节点)的通信节点，设备的维护显得更加困难。尽管厂商们在研发智能设备时通过降低芯片功耗、优化操作系统等方法以延长设备工作时间，但在实际应用中仍然不能满足人们日益增长的工作生活需求。因此，人们一直在寻求更好的方法以解决终端设备的能耗问题。

近年来，能量采集(Energy Harvesting,EH)技术成为通信行业的研究热点之一。能量采集设备在非通信的空闲时隙从周围环境中获取能量，常用能源包括太阳能、风能、地热能与振动能等。虽然以自然能源作为采集能量的源头固然能够进一步节省网络的能量消耗，但是这些自然能源受天气等外界因素的影响较大，采集效率十分有限，并且会影响通信网络的稳定性。在此基础上，学者们发现无线射频(Radio Frequency,RF)信号能够在传输信息的同时携带能量，且相比于太阳能等自然能源更加可控，传播距离也相对更远。因此，从RF信号中获取能量不失为一种有效的途径，无线携能通信(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer,SWIPT)技术应运而生。在配备SWIPT技术的通信系统中，通信设备能够利用射频信号完成能量采集，网络中的各种干扰均能够被转化为设备的能量收益，因此该技术不仅能够解决网络中节点能量受限的问题，也能够提高环境中能量的利用效率，即将为新一代无线通信带来变革。

无论网络规模如何发展、网络形态如何变迁，保障信息安全始终是通信系统中永恒不变的主题之一。SWIPT技术利用RF信号实现了能量与信息的并行传输，但无线信号的开放性和广播性特点导致极易受到窃听者的非法窃听。传统基于计算量的加密机制从协议栈的应用层等上层解决无线信息的安全传输问题，其往往假设窃听者的计算能力有限，并且系统具有完美的安全密钥管理和分发机制。但窃听者计算能力的提高、无线通信节点的移动性以及可利用资源的限制，使得传统加密方式的安全性面临着诸多问题。近年来，从物理层的角度研究无线通信的安全性逐渐成为一个研究热点。基于信息论的无线物理层安全技术(Physical Layer Security,PLS)利用主信道和窃听信道的随机性、差异性和互易性等物理特性保障无线信息的安全传输，引起了国内外学术界和产业界的广泛关注利用物理层安全的思想解决SWIPT系统中的安全问题，能够避免复杂的上层加密方式，同时满足能量无线传输和信息可靠、安全传输的现实需求，因此具有非常广阔的应用前景。评价SWIPT通信系统安全性能的主要技术指标有：安全通信速率、信息截获概率、安全能效等。

发明内容

本发明目的是针对存在多个配备功率分割接收机的中继节点情况下，SWIPT通信网络发送节点和目的节点之间的安全通信，提出了安全SWIPT通信网络中继节点最佳功率分割因子与波束成型向量的联合优化方法，并给出了具体的通信流程。该方法涉及安全无线携能通信网络中最佳中继节点的选择策略、最佳中继节点的接收波束成型向量设计、最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化，主要为安全无线携能通信网络中保障安全通信速率的中继节点最佳功率分割因子与波束成型联合优化方法。

本发明解决的问题的技术方案包括以下步骤：

步骤1、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法场景假设与建模：

为了不失一般性，在具体描述设计策略之前，作出如下假设：

(1)假设整个通信时隙归一化为1，并等分为两个通信阶段；

(2)合法节点能够获得所有信道状态信息，系统中所有信道均服从瑞利平坦衰落；

(3)在SWIPT网络中，发送节点和目的节点不能直接进行通信，需要通过中继节点转发。

第一阶段，SWIPT网络发送节点(Source,S)以功率P_S广播单位功率的信号x_S。同时，SWIPT网络目的节点(Destination,D)以功率P_D广播单位功率的干扰信号x_D。

M个中继节点R_i(i＝1,2,…,M)都能收到信号x_S和干扰信号x_D，每个中继节点均配备有N根天线。SWIPT网络使用最佳中继节点选择策略从M个中继节点中选取最佳中继节点R_b，最佳中继节点R_b接收到的信号为：

其中，h_b和g_b分别为发送节点S到最佳中继节点R_b和目的节点D到最佳中继节点R_b链路的N×1信道向量；n_b是最佳中继节点R_b处的N×1噪声向量，噪声功率为

最佳中继节点R_b使用功率分割接收机以功率分割因子ρ(0≤ρ≤1)将接收到的信号分为两个部分。一部分用于信息解码，另一部分用于能量收集。

最佳中继节点R_b处用于能量收集的部分信号为：

最佳中继节点R_b处收集到的能量为：

其中η表示能量转化效率，并满足0≤η≤1。

最佳中继节点R_b处用于信息解码的部分信号为：

其中，n_c为RF信号转换为基带信号时产生的噪声，均值为0，方差为

为了避免目的节点D发送的干扰信号对最佳中继节点R_b的干扰，对用于信息解码的部分信号应用接收波束成型向量w_R。

最佳中继节点R_b处的估计信号表示为：

其中

表示接收波束成型向量w_R的共轭转置。

最佳中继节点R_b处的信干噪比表示为：

在这一阶段中，窃听节点(Eavesdropper,E)能够进行非法窃听，窃听节点E获取到的信号和接收信干噪比分别为：

其中，h_SE和h_DE分别为S到E和D到E链路的信道系数；n_E1是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声。

第二阶段，选择的最佳中继节点R_b使用第一阶段收集到的能量，以解码转发(DF)协议帮助转发SWIPT网络的数据。在最佳中继节点R_b处，发送信号表示为：

其中w_D是针对SWIPT网络目的节点D的发送波束成型向量。

这一阶段，目的节点D处的接收信号表示为。

其中，

为最佳中继节点R_b到目的节点D链路的N×1信道向量q_b的共轭转置；n_D是目的节点D处均值为0，方差为

的加性高斯白噪声。

这一阶段，目的节点D处的信噪比表示为：

其中，P_r表示待分配的功率，表达式为

这一阶段，Eve处的接收信号表示为：

其中，

为最佳中继节点R_b到窃听节点E链路的N×1信道向量z_b的共轭转置；n_E2是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声。

这一阶段，E处的信噪比表示为：

窃听节点对两个阶段接收到的信号进行合并，其通信速率表示为：

由于最佳中继节点R_b使用DF协议转发发送节点S的数据，SWIPT网络的通信速率表示为：

其中，min[log₂(1+γ_S1),log₂(1+γ_S2)]表示log₂(1+γ_S1)、log₂(1+γ_S2)两者中较小的值。安全通信速率定义为SWIPT网络的通信速率和窃听节点的通信速率之差，表达式如下：

R＝[R_S-R_E]₊ (16)

其中R＝[R_S-R_E]₊表示将R_S-R_E中负数部分置0。

步骤2、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的选择策略：

首先得到SWIPT网络发送节点和网络中各个中继节点之间的信道状态信息h_i(i＝1,2,…,M)，然后依照以下准则选取最佳中继节点：

步骤3、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的接收波束成型向量设计：

为了避免SWIPT网络目的节点发送的干扰信号对最佳中继节点的信息解码的影响，使得w_R满足：

最后设计w_R如下：

其中，

I_N表示大小为N的单位矩阵。

步骤4、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化：

为了削弱窃听节点对最佳中继节点的窃听，设计w_D如下：

其中，

I_N表示大小为N的单位矩阵。

由于最佳中继节点使用DF协议对发送节点的数据信号，当γ_S1＝γ_S2时，R_S达到最大值，从而使得R取得最大值。又因为γ_S1会随着ρ的增大而增大，γ_S2会随着ρ的增大而减小。所以会存在一个ρ使得等式γ_S1＝γ_S2成立，而此时的ρ就是最优的功率分割因子。

最佳中继节点的功率分割因子优化方法具体如下：

(1)初始化：ρ^min＝0，ρ^max＝1，容限δ＝0.05

(2)当ρ^max-ρ^min＞δ时，执行以下循环：

①取ρ＝(ρ^max+ρ^min)/2；

②求出γ_S1与γ_S2，并计算γ_S2-γ_S1；

③当γ_S2-γ_S1＞0时，更新ρ^min＝ρ；否则更新ρ^max＝ρ。

(3)循环结束，此时的ρ就是最优的功率分割因子。

本发明有益效果如下：

本发明以无线携能通信(SWIPT)为研究背景，引入多个配备功率分割接收机的SWIPT中继节点，研究了安全SWIPT通信网络中功率分割因子与波束成型的联合优化方法。本发明以SWIPT安全通信网络中存在多个配备功率分割接收机的中继节点情况下最大化安全通信速率为优化目标建立优化模型，通过最佳中继节点的选择、最佳中继节点的接收波束成型向量设计、最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化，使系统性能达到所需要求。本发明分析了最佳中继节点的功率分割因子、发送节点的发送功率、目的节点干扰功率以及中继数目对安全通信速率的影响。研究表明，随着最佳中继节点功率分割因子的增加，安全通信速率先增后减，说明最佳中继能够通过选取最优功率分割因子获得最大的系统安全速率，验证了最佳中继节点功率分割因子优化方法的有效性。随着节点发送功率的增加，安全通信速率先增加后趋于平缓。随着目的节点干扰功率的增加，安全通信速率先缓慢增加而后迅速增大。随着中继数的增加，安全通信速率先增加后趋于平缓。在多个配备功率分割接收机的SWIPT中继节点情况下，本发明方法确保了SWIPT通信网络中安全通信性能的要求。

附图说明

图1为安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法第一阶段通信模型图。

图2为安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法第二阶段通信模型图。

图3为最佳中继节点的功率分割因子对安全通信速率的影响。

图4为发送节点的发送功率对安全通信速率的影响。

图5为目的节点的干扰功率对安全通信速率的影响。

图6为中继数目对安全通信速率的影响。

具体实施方式

图1为安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法第一阶段通信模型图。在该阶段，发送节点向多个配备功率分割接收机的中继节点广播数据信号，同时目的节点广播干扰信号以干扰窃听节点。安全SWIPT通信网络以最佳中继节点选择策略选取最佳中继节点，最佳中继节点对接收信号同时进行信息解码和能量收集。

图2为安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法第二阶段通信模型图。在该阶段，最佳中继节点转发数据。

图3给出了最佳中继节点的功率分割因子对安全通信速率的影响。由图可知，随着最佳中继节点功率分割因子的增加，安全通信速率先增后减，说明最佳中继能够通过选取最优功率分割因子获得最大的系统安全速率，验证了最佳中继节点功率分割因子优化方法的有效性。

图4给出了在不同中继节点数目的情况下，安全SWIPT通信网络中发送节点的发送功率对安全通信速率的影响。给定目的节点的干扰功率均为20dBm；噪声均假设为高斯白噪声，噪声功率为1mW。由图可知，随着发送节点发送功率的增大，安全通信速率先是不断增大，随后趋于平缓。在具有相同发送节点的发送功率的条件下，中继节点数目的增加能够获得更高的安全通信速率。

图5给出了在不同中继节点数目的情况下，安全SWIPT通信网络中目的节点干扰功率对安全通信速率的影响。给定发送节点的发送功率均为30dBm；噪声均假设为高斯白噪声，噪声功率为1mW。由图可知，随着目的节点干扰功率的增大，安全通信速率先是缓慢增加，随后迅速增大。在具有相同目的节点干扰功率的条件下，中继节点数目增加能够获得更大的安全通信速率。

图6给出了安全SWIPT通信网络的中继数目对安全通信速率的影响。给定发送节点的发送功率为30dBm、目的节点的干扰功率为20dBm；噪声均假设为高斯白噪声，噪声功率为1mW。由图可知，随着中继数目的增加，安全通信速率先增加后趋于平缓。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法场景假设与建模；

步骤2、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的选择策略；

步骤3、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的接收波束成型向量设计；

步骤4、安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化；

步骤1所述的安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法场景假设与建模，具体如下：

作出如下定义：

(1)整个通信时隙归一化为1，并等分为两个通信阶段；

(2)合法节点获得所有信道状态信息，系统中所有信道均服从瑞利平坦衰落；

(3)在无线携能通信SWIPT网络中，发送节点S和目的节点D不直接进行通信，通过中继节点转发；

第一阶段，SWIPT网络发送节点S以功率P_S广播单位功率的信号x_S；同时，SWIPT网络目的节点D以功率P_D广播单位功率的干扰信号x_D；

M个中继节点R_i收到信号x_S和干扰信号x_D，其中i＝1,2,…,M；每个中继节点均配备有N根天线；SWIPT网络使用最佳中继节点选择策略从M个中继节点中选取最佳中继节点R_b，最佳中继节点R_b接收到的信号为：

其中，h_b和g_b分别为发送节点S到最佳中继节点R_b和目的节点D到最佳中继节点R_b链路的N×1信道向量；n_b是最佳中继节点R_b处的N×1噪声向量，噪声功率为

最佳中继节点R_b使用功率分割接收机以功率分割因子ρ将接收到的信号分为两个部分；一部分用于信息解码，另一部分用于能量收集；其中0＜ρ＜1；

最佳中继节点R_b处用于能量收集的部分信号为：

最佳中继节点R_b处收集到的能量为：

其中η表示能量转化效率，并满足0＜η＜1；

最佳中继节点R_b处用于信息解码的部分信号为：

其中，n_c为RF信号转换为基带信号时产生的噪声，均值为0，方差为

为了避免目的节点D发送的干扰信号对最佳中继节点R_b的干扰，对用于信息解码的部分信号应用接收波束成型向量w_R；

最佳中继节点R_b处的估计信号表示为：

其中

表示接收波束成型向量w_R的共轭转置；

最佳中继节点R_b处的信干噪比表示为：

第一阶段中，窃听节点E进行非法窃听，窃听节点E获取到的信号和接收信干噪比分别为：

其中，h_SE和h_DE分别为S到E和D到E链路的信道系数；n_E1是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

第二阶段，选择的最佳中继节点R_b使用第一阶段收集到的能量，以解码转发协议帮助转发SWIPT网络的数据；在最佳中继节点R_b处，发送信号表示为：

其中w_D是针对SWIPT网络目的节点D的发送波束成型向量；

第二阶段中目的节点D处的接收信号表示为：

其中，

为最佳中继节点R_b到目的节点D链路的N×1信道向量q_b的共轭转置；n_D是目的节点D处均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

第二阶段中目的节点D处的信噪比表示为：

其中，P_r表示待分配的功率，表达式为

第二阶段中窃听节点E处的接收信号表示为：

其中，

为最佳中继节点R_b到窃听节点E链路的N×1信道向量z_b的共轭转置；n_E2是均值为0，方差为

的加性高斯白噪声；

第二阶段中E处的信噪比表示为：

窃听节点对两个阶段接收到的信号进行合并，其通信速率表示为：

由于最佳中继节点R_b使用DF协议转发发送节点S的数据，SWIPT网络的通信速率表示为：

其中，min[log₂(1+γ_S1),log₂(1+γ_S2)]表示log₂(1+γ_S1)、log₂(1+γ_S2)两者中较小的值；安全通信速率定义为SWIPT网络的通信速率和窃听节点E的通信速率之差，表达式如下：

R＝[R_S-R_E]₊ (16)

其中R＝[R_S-R_E]₊表示将R_S-R_E中负数部分置0；

步骤3所述的安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的接收波束成型向量设计，具体如下：

为了避免SWIPT网络目的节点D发送的干扰信号对最佳中继节点的信息解码的影响，使得w_R满足：

最后设计w_R如下：

其中，

I_N表示大小为N的单位矩阵；

步骤4所述的安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的功率分割因子与发送波束成型向量联合优化，具体如下：

为了削弱窃听节点E对最佳中继节点的窃听，设计w_D如下：

其中，

I_N表示大小为N的单位矩阵；

由于最佳中继节点使用DF协议转发发送节点的数据信号，当γ_S1＝γ_S2时，R_S达到最大值，从而使得R取得最大值；又因为γ_S1随着ρ的增大而增大，γ_S2随着ρ的增大而减小；所以存在一个ρ使得等式γ_S1＝γ_S2成立，而此时的ρ就是最优的功率分割因子；

最佳中继节点的功率分割因子优化方法具体如下：

(1)初始化：ρ^min＝0，ρ^max＝1，容限δ＝0.05

(2)当ρ^max-ρ^min＞δ时，执行以下循环：

①取ρ＝(ρ^max+ρ^min)/2；

②求出γ_S1与γ_S2，并计算γ_S2-γ_S1；

③当γ_S2-γ_S1＞0时，更新ρ^min＝ρ；否则更新ρ^max＝ρ；

(3)循环结束，此时的ρ就是最优的功率分割因子。

2.根据权利要求1所述的安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法，其特征在于步骤2所述的安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法中最佳中继节点的选择策略，具体如下：

首先得到SWIPT网络发送节点和网络中各个中继节点之间的信道状态信息h_i；然后依照以下准则选取最佳中继节点：

其中，i＝1,2,…,M。

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