CN110198182B - 一种无线携能系统及最大安全速率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线携能通信领域的一种无线携能系统，包括一发送端、一信息接收端、一能量接收端以及M个窃听端；所述发送端设有N_t根天线，所述信息接收端以及能量接收端均设有N_d根天线，所述窃听端设有N_e根天线；所述发送端采用信息波束赋形矩阵，通过天线与信息接收端连接；所述发送端采用能量波束赋形矩阵，通过天线与能量接收端连接；所述发送端采用干扰波束赋形矩阵，通过天线与窃听端连接；其中M为正整数，N_t、N_d以及N_e均为大于等于2的正整数；本发明还提供了一种无线携能系统的最大安全速率计算方法。本发明的优点在于：提高了无线携能系统通信的安全性以及传输性能。

Description

一种无线携能系统及最大安全速率计算方法

技术领域

本发明涉及无线携能通信领域，特别指一种无线携能系统及最大安全速率计算方法。

背景技术

随着社会科技的飞速发展，跨学科、多平台的整合逐渐成为了科技发展的新方向。但是，能源和无线电频谱等资源的日渐稀缺也成为随之而来的问题。

无线电波既是能量的载体，也是信息的载体，利用无线电波的这一特性，无线携能通信(SWIPT)应用而生。无线携能通信是将无线能量传输与无线信息传输相结合的产物，可以广泛应用于高速射频标签(RFID)、物联网以及各类移动终端，可以在传输信息的同时，通过采集信源发送的无线射频信号的能量，有效地向个终端供电，从而提高网络传输能效并延长无线网络的寿命。

然而，传统的无线携能通信系统中，接收机一般采用单天线的模式，为了充分利用空域资源，采集更多的能量来保证可靠通信，传统的做法是利用多根天线来接收信号，然后接收机采用功率分离或者时间转换模式来进行信息处理与能量采集。但是，传统的做法存在有如下缺点：其一是通过功率分离或者时间转换模式来进行信息处理与能量采集，使得系统缺乏灵活性、效率不高进而导致安全性不高；其二是未考虑存在窃听端的情况，这与实际情况存在差异，从而得出的结论也偏理论，实际应用价值不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种无线携能系统，实现提高无线携能系统通信的安全性以及传输性能。

本发明是这样实现技术问题之一的：一种无线携能系统，包括一发送端、一信息接收端、一能量接收端以及M个窃听端；所述发送端设有N_t根天线，所述信息接收端以及能量接收端均设有N_d根天线，所述窃听端设有N_e根天线；所述发送端采用信息波束赋形矩阵，通过天线与信息接收端连接；所述发送端采用能量波束赋形矩阵，通过天线与能量接收端连接；所述发送端采用干扰波束赋形矩阵，通过天线与窃听端连接；其中M为正整数，N_t、N_d以及N_e均为大于等于2的正整数。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，实现计算存在窃听端的情况下无线携能系统通信的最大安全速率。

本发明是这样实现技术问题之二的：一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，所述方法需使用上述的的无线携能系统，所述方法包括如下步骤：

步骤S10、分别计算信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号；

步骤S20、依据信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号，分别计算发送端至信息接收端以及窃听端的速率；

步骤S30、依据发送端至信息接收端以及窃听端的速率，设定待求解的最大安全速率的非凸问题；

步骤S40、将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，进而求解无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵；

步骤S50、通过信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵计算无线携能系统的最大安全速率。

进一步地，所述步骤S10具体为：

信息接收端接收到的信号：

能量接收端接收到的信号：

窃听端接收到的信号：

其中T表示发送端至信息接收端的信道矩阵，且

G表示发送端至能量接收端的信道矩阵，且

H_m表示发送端至窃听端的信道矩阵，且

W表示信息波束赋形矩阵，，且

V表示能量波束赋形矩阵，且

S_m表示干扰波束赋形矩阵，

X表示发送端发送到信息接收端的信号；Z表示发送端发送到能量接收端的信号；K_m表示发送端发送到第m个窃听端的信号，m为正整数，且1≤m≤M；()^H表示一个矩阵的埃尔米特转置；n_t表示信息接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_g表示能量接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_hm表示第m个窃听端所有天线总的加性高斯白噪声，且

σt＝σ_g＝σ_hm＝σ。

进一步地，所述步骤S20具体为：

发送端至信息接收端的速率：

发送端至第m个窃听端的速率：

其中

表示大小为N_d×N_d的单位矩阵，

表示大小为N_e×N_e的单位矩阵；det()表示求一个方阵的行列式。

进一步地，所述步骤S30具体为：

设定无线携能系统干扰最大时的安全速率为最大安全速率，即最大安全速率为：

且满足如下条件：

表示发送端通过波束赋形发送的各个信号所需要的功率小于发送端的所有天线发送功率之和；

αP_EH≥E_T，表示能量接收端采集到的能量高于能量接收端的能量阈值；α表示能量转化效率，且0＜α≤1；P_EH表示能量接收端采集到的能量，且

进一步地，所述步骤S40具体包括：

步骤S41、定义信息接收端的香农信息速率下界为R_t，窃听端的香农信息速率上界为R_m，将最大安全速率的求解转变为如下的优化问题：

αP_EH≥E_T 式(1e)

0＜α≤1 式(1f)

步骤S42、由于式(1b)-式(1f)为非凸约束，采用半定松弛法，引入六个变量：W'＝WW^H,V'＝VV^H,

T'＝TT^H,G'＝GG^H,

将式(1a)-式(1f)转化为如下形式：

步骤S43、其中式(2d)-式(2f)为凸约束，式(2b)-式(2c)为非凸约束，引入六组松弛变量：

将式(2a)-式(2f)转化为如下形式：

s.t. det(Tr(S'_mH'_m))≤e^x 式(3b)

det(Tr(W'H'_m)+Tr(V'H'_m)+σ²N_e)≥e^y 式(3c)

det(Tr(W'T'))≥e^k 式(3e)

y+d-x≥0 式(3h)

u_m+d_t-k≤0 式(3i)

步骤S44、其中式(3h)-式(3i)为凸约束，式(3b)-式(3g)为非凸约束，根据一阶泰勒将式(3b)-式(3g)进行展开，转化为如下凸约束的形式：

其中x₀＝x[n-1]，y₀＝y[n-1]，d₀＝d[n-1]，k₀＝k[n-1]，u_m0＝u_m[n-1]，d_t0＝d_t[n-1]，n表示迭代次数；

步骤S45、利用SCA迭代算法，依据式(3a)、式(3h)、式(3i)以及式(4a)-式(4f)计算出无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵。

本发明的优点在于：

1、发送端通过信息波束赋形矩阵发送信息，通过能量波束赋形矩阵发送能量，干扰波束赋形矩阵干扰窃听端，避免了信息接收端以及能量接收端采用功率分离或者时间模式转换方案而导致效率低下，灵活性差，提高了无线携能系统通信的安全性。

2、通过多天线的空间自由度，结合能量采集技术，实现信息与能量的同时传输，提高了无线携能系统的传输性能和效率，且充分利用了空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，提高信道的可靠性。

3、接收端由信息接收端和能量接收端组成，即采用分离式接收端的结构模型，实现在不同终端上同时传递信息与收集能量，最大化提高能量的接收效率。

4、通过将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，实现最大安全速率可求解。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种无线携能系统的结构示意图。

图2是本发明SCA迭代算法的仿真图。

图3是本发明波束赋形与传统功率分离以及时间模式转换的仿真对比图。

具体实施方式

请参照图1至图3所示，本发明一种无线携能系统的较佳实施例，包括一发送端、一信息接收端、一能量接收端以及M个窃听端；所述发送端设有N_t根天线，所述信息接收端以及能量接收端均设有N_d根天线，所述窃听端设有N_e根天线；所述发送端采用信息波束赋形矩阵，通过天线与信息接收端连接；所述发送端采用能量波束赋形矩阵，通过天线与能量接收端连接；所述发送端采用干扰波束赋形矩阵，通过天线与窃听端连接；其中M为正整数，N_t、N_d以及N_e均为大于等于2的正整数。发送端通过信息波束赋形矩阵发送信息，通过能量波束赋形矩阵发送能量，干扰波束赋形矩阵干扰窃听端，避免了信息接收端以及能量接收端采用功率分离或者时间模式转换方案而导致效率低下，灵活性差，提高了无线携能系统通信的安全性。

通过多天线的空间自由度，结合能量采集技术，实现信息与能量的同时传输，提高了无线携能系统的传输性能和效率，且充分利用了空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，提高信道的可靠性。

接收端由信息接收端和能量接收端组成，即采用分离式接收端的结构模型，实现在不同终端上同时传递信息与收集能量，最大化提高能量的接收效率。

本发明一种无线携能系统的最大安全速率计算方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤S10、分别计算信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号；

步骤S20、依据信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号，分别计算发送端至信息接收端以及窃听端的速率；

步骤S30、依据发送端至信息接收端以及窃听端的速率，设定待求解的最大安全速率的非凸问题；

步骤S40、将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，进而求解无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵；通过将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，实现最大安全速率可求解。

步骤S50、通过信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵计算无线携能系统的最大安全速率。

进一步地，所述步骤S10具体为：

信息接收端接收到的信号：

能量接收端接收到的信号：

窃听端接收到的信号：

其中T表示发送端至信息接收端的信道矩阵，且

G表示发送端至能量接收端的信道矩阵，且

H_m表示发送端至窃听端的信道矩阵，且

W表示信息波束赋形矩阵，，且

V表示能量波束赋形矩阵，且

S_m表示干扰波束赋形矩阵，

X表示发送端发送到信息接收端的信号；Z表示发送端发送到能量接收端的信号；K_m表示发送端发送到第m个窃听端的信号，m为正整数，且1≤m≤M；()^H表示一个矩阵的埃尔米特转置；n_t表示信息接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_g表示能量接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_hm表示第m个窃听端所有天线总的加性高斯白噪声，且

σt＝σ_g＝σ_hm＝σ。

进一步地，所述步骤S20具体为：

发送端至信息接收端的速率：

发送端至第m个窃听端的速率：

其中

表示大小为N_d×N_d的单位矩阵，

表示大小为N_e×N_e的单位矩阵；det()表示求一个方阵的行列式。

进一步地，所述步骤S30具体为：

设定无线携能系统干扰最大时的安全速率为最大安全速率，即最大安全速率为：

且满足如下条件：

表示发送端通过波束赋形发送的各个信号所需要的功率小于发送端的所有天线发送功率之和；

αP_EH≥E_T，表示能量接收端采集到的能量高于能量接收端的能量阈值；α表示能量转化效率，且0＜α≤1；P_EH表示能量接收端采集到的能量，且

进一步地，所述步骤S40具体包括：

步骤S41、由于提出的初始优化问题是一个非凸问题，难以直接求解，需要将初始的非凸问题转化为凸问题进行求解。定义信息接收端的香农信息速率下界为R_t，窃听端的香农信息速率上界为R_m，将最大安全速率的求解转变为如下的优化问题：

αP_EH≥E_T 式(1e)

0＜α≤1 式(1f)

步骤S42、由于式(1b)-式(1f)为非凸约束，采用半定松弛法，引入六个变量：W'＝WW^H,V'＝VV^H,

T'＝TT^H,G'＝GG^H,

将式(1a)-式(1f)转化为如下形式：

步骤S43、其中式(2d)-式(2f)为凸约束，式(2b)-式(2c)为非凸约束，引入六组松弛变量：

将式(2a)-式(2f)转化为如下形式：

s.t. det(Tr(S'_mH'_m))≤e^x 式(3b)

det(Tr(W'H'_m)+Tr(V'H'_m)+σ²N_e)≥e^y 式(3c)

det(Tr(W'T'))≥e^k式(3e)

y+d-x≥0 式(3h)

u_m+d_t-k≤0 式(3i)

由于式(2b)-式(2c)为非凸约束，难以转化，所以引入六组松弛变量将其转化为式(3b)-式(3g)，从而可以采用一阶泰勒展开的方式，将(3b)-式(3g)的非凸约束转化为式(4a)-式(4f)的凸约束，最终用SCA迭代算法求出信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵。

步骤S44、其中式(3h)-式(3i)为凸约束，式(3b)-式(3g)为非凸约束，根据一阶泰勒将式(3b)-式(3g)进行展开，转化为如下凸约束的形式：

其中x₀＝x[n-1]，y₀＝y[n-1]，d₀＝d[n-1]，k₀＝k[n-1]，u_m0＝u_m[n-1]，d_t0＝d_t[n-1]，n表示迭代次数；

步骤S45、利用SCA迭代算法，依据式(3a)、式(3h)、式(3i)以及式(4a)-式(4f)计算出无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵。

发送端通过获取信息接收端和能量接收端发送回来的反馈信息，检查相同极化天线之间的相对相位差，估计出信息接收端和能量接收端的到达方向(DoA)，当窃听端处于活跃状态时，可以获取窃听端的信道状态信息，即使是被动式的窃听端，也可以从窃听端的射频信号泄露出来的本振功率中估计出信道状态信息，根据到达方向以及窃听端的信道状态信息，发送端动态调整天线阵列中每个组件的天线权重(相对幅度和相位)，在期望用户的角度上信号获得相长干涉，从而将波束引向期望的用户。而其他角度的信号获得相消干涉，使得信号不会漫无目的的放射，从而节省了资源。

图2是本发明SCA迭代算法的仿真图，假设无线携能系统里有2个窃听端，每个窃听端设有2根天线，发送端设有6根天线，信息接收端设有2根天线，能量接收端设有2根天线，各节点接收噪声方差σ²＝-10dBm，能量转化效率α＝0.5，发送端的最大发送功率P_max＝25dBm，能量接收端需要采集的能量阈值E_T＝0.8mw，若采集的能量小于能量阈值，说明能量接收端采集的能量小于发送端给能量接收端发送信号所消耗的能量，即能量接收端无存在意义；从图2可知，SCA迭代算法在迭代到第4-5次时收敛，说明SCA迭代算法有效。

综上所述，本发明的优点在于：

1、发送端通过信息波束赋形矩阵发送信息，通过能量波束赋形矩阵发送能量，干扰波束赋形矩阵干扰窃听端，避免了信息接收端以及能量接收端采用功率分离或者时间模式转换方案而导致效率低下，灵活性差，提高了无线携能系统通信的安全性。

2、通过多天线的空间自由度，结合能量采集技术，实现信息与能量的同时传输，提高了无线携能系统的传输性能和效率，且充分利用了空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，提高信道的可靠性。

3、接收端由信息接收端和能量接收端组成，即采用分离式接收端的结构模型，实现在不同终端上同时传递信息与收集能量，最大化提高能量的接收效率。

4、通过将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，实现最大安全速率可求解。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，其特征在于：所述方法需使用如下一种无线携能系统，包括一发送端、一信息接收端、一能量接收端以及M个窃听端；所述发送端设有N_t根天线，所述信息接收端以及能量接收端均设有N_d根天线，所述窃听端设有N_e根天线；所述发送端采用信息波束赋形矩阵，通过天线与信息接收端连接；所述发送端采用能量波束赋形矩阵，通过天线与能量接收端连接；所述发送端采用干扰波束赋形矩阵，通过天线与窃听端连接；其中M为正整数，N_t、N_d以及N_e均为大于等于2的正整数；

所述方法包括如下步骤：

步骤S10、分别计算信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号；

步骤S20、依据信息接收端、能量接收端以及窃听端接收到的信号，分别计算发送端至信息接收端以及窃听端的速率；

步骤S30、依据发送端至信息接收端以及窃听端的速率，设定待求解的最大安全速率的非凸问题；

步骤S40、将待求解的最大安全速率的非凸问题转化为凸问题，进而求解无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵；

步骤S50、通过信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵计算无线携能系统的最大安全速率；

所述步骤S10具体为：

信息接收端接收到的信号：

能量接收端接收到的信号：

窃听端接收到的信号：

其中T表示发送端至信息接收端的信道矩阵，且T∈C^Nt×Nd；G表示发送端至能量接收端的信道矩阵，且G∈C^Nt×Nd；H_m表示发送端至窃听端的信道矩阵，且H_m∈C^Nt×Ne；W表示信息波束赋形矩阵，且W∈C^Nt×Nd；V表示能量波束赋形矩阵，且V∈C^Nt×Nd；S_m表示干扰波束赋形矩阵，S_m∈C^Nt×Ne；X表示发送端发送到信息接收端的信号；Z表示发送端发送到能量接收端的信号；K_m表示发送端发送到第m个窃听端的信号，m为正整数，且1≤m≤M；()^H表示一个矩阵的埃尔米特转置；n_t表示信息接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_g表示能量接收端所有天线总的加性高斯白噪声，且

n_hm表示第m个窃听端所有天线总的加性高斯白噪声，且

σt＝σ_g＝σ_hm＝σ。

2.如权利要求1所述的一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，其特征在于：所述步骤S20具体为：

发送端至信息接收端的速率：

发送端至第m个窃听端的速率：

其中I_Nd表示大小为N_d×N_d的单位矩阵，I_Ne表示大小为N_e×N_e的单位矩阵；det()表示求一个方阵的行列式。

3.如权利要求2所述的一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，其特征在于：所述步骤S30具体为：

设定无线携能系统干扰最大时的安全速率为最大安全速率，即最大安全速率为：

且满足如下条件：

上述公式表示发送端通过波束赋形发送的各个信号所需要的功率小于发送端的所有天线发送功率之和；

αP_EH≥E_T，上述公式表示能量接收端采集到的能量高于能量接收端的能量阈值；α表示能量转化效率，且0＜α≤1；P_EH表示能量接收端采集到的能量，且

4.如权利要求3所述的一种无线携能系统的最大安全速率计算方法，其特征在于：所述步骤S40具体包括：

步骤S41、定义信息接收端的香农信息速率下界为R_t，窃听端的香农信息速率上界为R_m，将最大安全速率的求解转变为如下的优化问题：

αP_EH≥E_T 式(1e)

0＜α≤1 式(1f)

步骤S42、由于式(1b)-式(1f)为非凸约束，采用半定松弛法，引入六个变量：W'＝WW^H,V'＝VV^H,

T'＝TT^H,G'＝GG^H,

将式(1a)-式(1f)转化为如下形式：

步骤S43、其中式(2d)-式(2f)为凸约束，式(2b)-式(2c)为非凸约束，引入六组松弛变量：

将式(2a)-式(2f)转化为如下形式：

s.t.det(Tr(S'_mH'_m))≤e^x 式(3b)

det(Tr(W'H'_m)+Tr(V'H'_m)+σ²N_e)≥e^y 式(3c)

2^Rm-1≥e^d 式(3d)

det(Tr(W'T'))≥e^k 式(3e)

2^Rt-1≤e^dt 式(3g)

y+d-x≥0 式(3h)

u_m+d_t-k≤0 式(3i)

步骤S44、其中式(3h)-式(3i)为凸约束，式(3b)-式(3g)为非凸约束，根据一阶泰勒将式(3b)-式(3g)进行展开，转化为如下凸约束的形式：

det(Tr(S'_mH'_m))≤e^x0(x-x₀+1)≤e^x 式(4a)

其中x₀＝x[n-1]，y₀＝y[n-1]，d₀＝d[n-1]，k₀＝k[n-1]，u_m0＝u_m[n-1]，d_t0＝d_t[n-1]，n表示迭代次数；

步骤S45、利用SCA迭代算法，依据式(3a)、式(3h)、式(3i)以及式(4a)-式(4f)计算出无线携能系统的传输速率为最大安全速率时的信息波束赋形矩阵、能量波束赋形矩阵以及干扰波束赋形矩阵。

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