CN111200813A - 基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法 - Google Patents

基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法 Download PDF

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CN111200813A CN201911156850.XA CN201911156850A CN111200813A CN 111200813 A CN111200813 A CN 111200813A CN 201911156850 A CN201911156850 A CN 201911156850A CN 111200813 A CN111200813 A CN 111200813A
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Abstract

本发明请求保护一种基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，包括：初始化；根据初始化能效判断是否满足能效约束条件，如果条件满足，给出最优安全能效，方法结束；否则，进入下一步，迭代优化用户功率分配因子。迭代优化BS功率分配因子。迭代优化BS平均发射功率。最后，利用二分法迭代搜索安全能效，判断是否满足最大安全能效函数和最小安全能效乘积约束，如果条件成立，更新最小安全能效，若更新后的值满足约束条件，则继续迭代，否则输出最大安全能效；如果条件不成立，更新最大安全能效，若更新后的值满足约束条件，则继续迭代，否则输出最小安全能效。本发明所得结果能明显提高系统安全能效资源利用率，实用性和可行性强。

Description

基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化 方法
技术领域
本发明属于安全能效(SEE)资源管理技术领域，具体是基于同时无线信息和功率传输(SWIPT)的大规模多输入多输出(MIMO)系统最大化最小用户安全能效资源分配方法。
背景技术
随着移动互联网技术研发的不断加快，无线信息的广播特性使得信息高速率传输的安全性受到严重威胁，物理层安全日益成为研究的重点。目前，5G移动通信主要从网络安全系统架构、组网技术及无线传输技术等方面进行变革，来提升移动安全通信的可达速率和能量效率等问题。
传统的信息安全技术，主要集中在高层，利用密钥对发送端和接收端进行加密及解密。香农指出，当合法发送端和合法接收端共享密钥时，如果共享密钥的熵大于信息熵，那么窃听者将窃取不到保密信息，此时，合法发送端和合法接收端能够进行安全的保密通信。但是，香农模型是建立在无噪信道模型上，和实际不符。之后，Wyner将香农模型延伸到有噪信道模型，并指出，当合法发送端的信道存在窃听者窃取信息时，一定存在一种无需借助其他加密技术的信道编码方案使得保密信息安全无误的传输。但是，由于无线信道的开放性，仅仅依赖单一的信道编码方案很难满足5G无线通信需求。根据以上分析，将物理层安全技术作为高层加密技术的补充，利用物理层安全技术来提高系统安全性。
近年来，SWIPT技术和大规模MIMO技术作为通信行业的研究热点。SWIPT 辅助大规模MIMO通信是一种随时代发展的绿色能源通信，但SWIPT技术在同时提供无线数据和无线能量接入的同时可能会被窃听者窃取，为了降低窃听者的窃听能力，需要采用相应的技术来降低窃听者的干扰。从Goel等人提出人工噪声(AN)辅助通信以来，便得到了广泛认可。因此，在SWIPT系统中注入 AN不仅可以对窃听者产生干扰，也可以为接收端提供能量。
针对系统安全性，安全容量和安全能效问题已成为衡量系统性能的有效指标，而系统安全容量和安全能效资源利用率都依赖于资源分配方法的性能。通过阅读大量文献可知，现有文献主要采用系统安全能效资源分配方法和系统安全速率资源分配方法来最大化系统安全能效，忽略了用户处于最坏情况下的安全能效。因此，本发明提出了一种基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于SWIPT的大规模 MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法。本发明的技术方案如下：
一种基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，用于网络资源分配，其包括以下步骤：
步骤1、固定BS发射功率Pt和BS功率分配因子
Figure BDA0002285031380000021
更新用户功率分配因子ρk。根据目标函数
Figure BDA0002285031380000022
其中目标函数中的分子表示用户k的保密速率，即用户k的可达安全速率减去窃听者的速率， (·)+＝max{0,·}，
Figure BDA0002285031380000023
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000024
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000025
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；固定Pt和
Figure BDA0002285031380000026
求解用户功率分配因子ρk，
Figure BDA0002285031380000027
迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，E0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示BS到用户端的信息传输阶段，
Figure BDA0002285031380000028
N表示BS天线数，K表示用户数，
Figure BDA0002285031380000029
表示BS到用户的路径损耗，Tr表示矩阵
Figure BDA00022850313800000210
的迹，[Dk,k]＝βk,k＝{1,...,K}表示完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA00022850313800000211
表示不完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA00022850313800000212
表示人工噪声，
Figure BDA00022850313800000213
τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，
Figure BDA0002285031380000031
表示BS到窃听者的路径损耗；
步骤2、固定BS发射功率Pt T和安全能效λT，更新BS功率分配因子
Figure DEST_PATH_GDA0002458191990000032
将目标函数转化为
Figure BDA0002285031380000033
其中迭代次数 T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure BDA0002285031380000034
Figure BDA0002285031380000035
其中hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure BDA0002285031380000036
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000037
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000038
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure BDA0002285031380000039
表示BS功率分配因子，
Figure BDA00022850313800000310
表示用户端功率分配因子,固定Pt T和安全能效λT,带入步骤一求出的
Figure BDA00022850313800000311
求解
Figure BDA00022850313800000312
步骤3、固定BS功率分配因子
Figure BDA00022850313800000313
和安全能效λT，更新BS发送功率Pt T，根据目标函数
Figure BDA00022850313800000314
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure BDA00022850313800000315
Figure BDA00022850313800000316
hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure BDA00022850313800000317
表示用户可达速率，
Figure BDA00022850313800000318
表示窃听者可达速率，
Figure BDA00022850313800000319
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure BDA00022850313800000320
表示 BS功率分配因子，
Figure BDA00022850313800000321
表示用户端功率分配因子，固定安全能效λT，代入步骤一得到的
Figure BDA00022850313800000322
步骤二得到的
Figure BDA00022850313800000323
求解Pt T；
步骤4、根据步骤一、步骤二和步骤三得到的
Figure BDA00022850313800000324
和Pt T，求安全能效λT+1，
Figure BDA0002285031380000041
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax；
所述安全能效
Figure BDA0002285031380000042
，
Figure BDA0002285031380000043
，
Figure BDA0002285031380000044
其中f1和f2表示辅助函数，Pt T表示BS发送功率，
Figure BDA0002285031380000045
表示BS功率分配因子，
Figure BDA0002285031380000046
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000047
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000048
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，
Figure BDA0002285031380000049
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA00022850313800000410
当f1*f2≥0，
Figure DEST_PATH_GDA00024581919900000410
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA00022850313800000412
其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，
Figure BDA00022850313800000413
为最大安全能效，
Figure BDA00022850313800000414
为最小安全能效。
进一步的，所述用户功率分配因子ρk，k＝1,2,…,K，采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即
Figure BDA00022850313800000415
由于ρk仅和
Figure BDA00022850313800000416
有关，对辅助函数求二阶导可知
Figure BDA00022850313800000417
根据目标函数的约束条件E0≤Ek，k＝1,2,…,K，
Figure BDA00022850313800000418
E0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示BS到用户端的信息传输阶段，
Figure BDA00022850313800000419
N表示BS天线数，K表示用户数，
Figure BDA00022850313800000420
分别表示路径损耗，Tr表示矩阵
Figure BDA00022850313800000421
的迹，[Dk,k]＝βk,k＝{1,...,K}表示完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA00022850313800000422
表示不完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA0002285031380000051
τ表示导频传输阶段，pk表示用户k 平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，
Figure BDA00022850313800000520
表示BS到窃听者的路径损耗，
Figure BDA0002285031380000052
表示人工噪声；因此,可求得用户功率分配
Figure BDA0002285031380000053
迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax。
进一步的，所述BS发射功率Pt和
Figure BDA0002285031380000054
采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即
Figure BDA0002285031380000055
其中
Figure BDA0002285031380000056
为辅助函数,由于Pt和
Figure BDA0002285031380000057
关于辅助函数具有非凸性，因此利用两个凸函数相减(DC)算法进行求解
Figure BDA0002285031380000058
和Pt T。根据目标函数
Figure BDA0002285031380000059
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure BDA00022850313800000510
Figure BDA00022850313800000511
其中hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure BDA00022850313800000512
表示用户可达速率,
Figure BDA00022850313800000513
表示窃听者可达速率， Pt T表示BS发送功率，
Figure BDA00022850313800000514
表示用户k的功率损耗，λ表示用户安全能效，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure BDA00022850313800000515
表示BS功率分配因子，
Figure BDA00022850313800000516
表示用户端功率分配因子，固定安全能效λT，根据目标函数求解Pt T和
Figure BDA00022850313800000517
进一步的，所述安全能效选择通过二分法进行内部迭代，根据安全能效
Figure BDA00022850313800000518
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax；所述安全能效
Figure BDA00022850313800000519
Figure BDA0002285031380000061
其中f1和f2表示辅助函数，Pt T表示BS发送功率，
Figure BDA0002285031380000062
表示BS功率分配因子，
Figure BDA0002285031380000063
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000064
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000065
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，
Figure BDA0002285031380000066
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA0002285031380000067
当f1*f2≥0，
Figure DEST_PATH_GDA0002458191990000069
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA0002285031380000069
其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，
Figure BDA00022850313800000610
为最大安全能效，
Figure BDA00022850313800000611
为最小安全能效。
进一步的，整体方法收敛判决条件为：
Figure BDA00022850313800000612
其中，
Figure BDA00022850313800000613
为设定收敛精度。本发明的优点及有益效果如下：
本发明主要考虑了大规模MIMO系统中下行链路安全传输问题。提出了一种基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法。BS处采用功率分配因子合理分配信息传输功率和人工噪声发射功率所占比重，在降低窃听者窃听能力的同时保证保密信息传输的完整性。针对系统保密信息进行分析，获得最优用户功率分配因子、BS发送功率和BS功率分配因子，并最大化最小用户安全能效。由于目标函数具有非凸性，本文采用两个凸函数相减(DC) 规划，引入辅助变量将其转化为凸优化问题。
与传统的安全能效资源分配方法相比，该方法考虑了最坏情况下用户安全性能，通过优化用户功率分配因子、BS发送功率和BS功率分配因子来最大化该用户安全能效，且收敛速度快，具有较好的可行性和实用性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例本发明流程图；
图2为本发明算法收敛情况；
图3为本发明在不同算法下的SEE曲线图；
图4为本发明在不同算法下的SEE随窃听者平均传输功率变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本实施案例是基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法.
具体实施案列如下：
第一步，固定BS发射功率Pt和BS功率分配因子
Figure BDA0002285031380000071
更新用户功率分配因子ρk。根据目标函数
Figure BDA0002285031380000072
其中目标函数中的分子表示用户k的保密速率，即用户k的可达安全速率减去窃听者的速率， (·)+＝max{0,·}，
Figure BDA0002285031380000073
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000074
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000075
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；固定Pt和
Figure BDA0002285031380000076
求解用户功率分配因子ρk，
Figure BDA0002285031380000077
迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，E0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示BS到用户端的信息传输阶段，
Figure BDA0002285031380000078
N表示BS天线数，K表示用户数，
Figure BDA0002285031380000079
表示BS到用户的路径损耗，Tr表示矩阵
Figure BDA00022850313800000710
的迹，[Dk,k]＝βk,k＝{1,...,K}表示完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA00022850313800000711
表示不完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure BDA00022850313800000712
表示人工噪声，
Figure BDA00022850313800000713
τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，
Figure BDA00022850313800000714
表示BS到窃听者的路径损耗；
第二步，固定BS发射功率Pt T和安全能效λT，更新BS功率分配因子
Figure BDA0002285031380000081
将目标函数转化为
Figure BDA0002285031380000082
其中迭代次数 T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure BDA0002285031380000083
Figure BDA0002285031380000084
其中hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure BDA0002285031380000085
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000086
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000087
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure BDA0002285031380000088
表示BS功率分配因子，
Figure BDA0002285031380000089
表示用户端功率分配因子,固定Pt T和安全能效λT,带入第一步求出的
Figure BDA00022850313800000810
求解
Figure BDA00022850313800000811
第三步，固定BS功率分配因子
Figure BDA00022850313800000812
和安全能效λT，更新BS发送功率Pt T，根据目标函数
Figure BDA00022850313800000813
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure BDA00022850313800000814
Figure BDA00022850313800000815
hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure BDA00022850313800000816
表示用户可达速率，
Figure BDA00022850313800000817
表示窃听者可达速率，
Figure BDA00022850313800000818
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure BDA00022850313800000819
表示 BS功率分配因子，
Figure BDA00022850313800000820
表示用户端功率分配因子，固定安全能效λT，代入第一步得到的
Figure BDA00022850313800000821
第二步得到的
Figure BDA00022850313800000822
求解Pt T；
第四步，根据第一步、第二步和第三步得到的
Figure BDA00022850313800000823
和Pt T，求安全能效λT+1，
Figure BDA00022850313800000824
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax；
所述安全能效
Figure BDA0002285031380000091
，
Figure BDA0002285031380000092
，
Figure BDA0002285031380000093
其中f1和f2表示辅助函数，Pt T表示BS发送功率，
Figure BDA0002285031380000094
表示BS功率分配因子，
Figure BDA0002285031380000095
表示用户可达速率，
Figure BDA0002285031380000096
表示窃听者可达速率，
Figure BDA0002285031380000097
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，
Figure BDA0002285031380000098
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA0002285031380000099
当f1*f2≥0，
Figure DEST_PATH_GDA00024581919900000911
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure BDA00022850313800000911
其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，
Figure BDA00022850313800000912
为最大安全能效，
Figure BDA00022850313800000913
为最小安全能效。
所述整体方法收敛判决条件为：
Figure BDA00022850313800000914
其中，
Figure BDA00022850313800000915
为设定收敛精度。
在本实施例中，图2是给出了所提的基于最大化最小用户安全能效优化方法的收敛性；图3是分别采用不同算法验证BS传输功率对安全能效的影响；图 4是分别采用增加窃听者平均传输功率时对安全能效的影响。由图2可见：所提实施方法可以快速收敛。由图3可以看出：所提实施方法比最大化用户系统安全能效方法，和安全速率最大化方法可以获得更高的安全能效。由图4可见：所提算法和其余两种对比算法随窃听者平均传输功率增加所体现的性能都一致，结合图3，图4可知所提方法比其余两种方法所体现的性能更好，能够有效地解决大规模MIMO系统中安全能效资源分配等相关问题。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，用于网络资源分配，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、固定BS发射功率Pt和BS功率分配因子
Figure FDA0002285031370000011
更新用户功率分配因子ρk，根据目标函数
Figure FDA0002285031370000012
其中目标函数中的分子表示用户k的保密速率，即用户k的可达安全速率减去窃听者的速率，(·)+＝max{0,·}，
Figure FDA0002285031370000013
表示用户可达速率，
Figure FDA0002285031370000014
表示窃听者可达速率，
Figure FDA0002285031370000015
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；固定Pt和
Figure FDA0002285031370000016
求解用户功率分配因子ρk，
Figure FDA0002285031370000017
迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，E0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示BS到用户端的信息传输阶段，
Figure FDA0002285031370000018
N表示BS天线数，K表示用户数，
Figure FDA0002285031370000019
表示BS到用户的路径损耗，Tr表示矩阵
Figure FDA00022850313700000110
的迹，[Dk,k]＝βk,k＝{1,...,K}表示完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure FDA00022850313700000111
表示不完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure FDA00022850313700000112
表示人工噪声，
Figure FDA00022850313700000113
τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，θ表示BS到窃听者的路径损耗；
步骤2、固定BS发射功率Pt T和安全能效λT，更新BS功率分配因子
Figure DEST_PATH_FDA00024581919800000115
将目标函数转化为
Figure FDA00022850313700000115
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure FDA00022850313700000116
Figure FDA00022850313700000117
其中hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure FDA0002285031370000021
表示用户可达速率，
Figure FDA0002285031370000022
表示窃听者可达速率，
Figure FDA0002285031370000023
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure FDA0002285031370000024
表示BS功率分配因子，
Figure FDA0002285031370000025
表示用户端功率分配因子,固定Pt T和安全能效λT,带入步骤一求出的
Figure FDA0002285031370000026
求解
Figure FDA0002285031370000027
步骤3、固定BS功率分配因子
Figure FDA0002285031370000028
和安全能效λT，更新BS发送功率Pt T，根据目标函数
Figure FDA0002285031370000029
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure FDA00022850313700000210
Figure FDA00022850313700000211
hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure FDA00022850313700000212
表示用户可达速率，
Figure FDA00022850313700000213
表示窃听者可达速率，
Figure FDA00022850313700000214
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure FDA00022850313700000215
表示BS功率分配因子，
Figure FDA00022850313700000216
表示用户端功率分配因子，固定安全能效λT，代入步骤一得到的
Figure FDA00022850313700000217
步骤二得到的
Figure FDA00022850313700000218
求解Pt T；
步骤4、根据步骤一、步骤二和步骤三得到的
Figure FDA00022850313700000219
和
Figure FDA00022850313700000220
求安全能效λT+1，
Figure FDA00022850313700000221
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax；所述安全能效
Figure FDA00022850313700000222
Figure FDA00022850313700000223
，
Figure FDA00022850313700000224
其中f1和f2表示辅助函数，Pt T表示BS发送功率，
Figure FDA00022850313700000225
表示BS功率分配因子，
Figure FDA00022850313700000226
表示用户可达速率，
Figure FDA00022850313700000227
表示窃听者可达速率，
Figure FDA00022850313700000228
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，
Figure FDA0002285031370000031
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure FDA0002285031370000032
当f1*f2≥0，
Figure DEST_PATH_FDA0002458191980000033
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure FDA0002285031370000034
其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，
Figure FDA0002285031370000035
为最大安全能效，
Figure FDA0002285031370000036
为最小安全能效。
2.根据权利要求1所述的基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，其特征在于，所述用户功率分配因子ρk，k＝1,2,…,K，采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即
Figure FDA0002285031370000037
其中
Figure FDA0002285031370000038
为辅助函数，Pt表示BS发送功率，
Figure FDA0002285031370000039
表示BS功率分配因子，
Figure FDA00022850313700000310
表示用户可达速率，
Figure FDA00022850313700000311
表示窃听者可达速率，
Figure FDA00022850313700000312
表示用户k的功率损耗，λ表示用户安全能效，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；由于ρk仅和
Figure FDA00022850313700000313
有关，对辅助函数求二阶导可知
Figure FDA00022850313700000314
因此，根据目标函数的约束条件E0≤Ek，k＝1,2,…,K，
Figure FDA00022850313700000315
E0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示BS到用户端的信息传输阶段，
Figure FDA00022850313700000316
N表示BS天线数，K表示用户数，
Figure FDA00022850313700000317
分别表示路径损耗，Tr表示矩阵
Figure FDA00022850313700000318
的迹，[Dk,k]＝βk,k＝{1,...,K}表示完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure FDA00022850313700000319
表示不完美信道BS到用户的路径损耗，
Figure FDA00022850313700000320
τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，θ表示BS到窃听者的路径损耗，
Figure FDA00022850313700000321
表示人工噪声；因此,可求得用户功率分配
Figure FDA0002285031370000041
迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax。
3.根据权利要求1所述的基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，其特征在于，所述BS发射功率Pt和
Figure FDA0002285031370000042
采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即
Figure FDA0002285031370000043
其中
Figure FDA0002285031370000044
为辅助函数,由于Pt和
Figure FDA0002285031370000045
关于辅助函数具有非凸性，因此利用两个凸函数相减(DC)算法进行求解
Figure FDA0002285031370000046
和Pt T。根据目标函数
Figure FDA0002285031370000047
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax，
Figure FDA0002285031370000048
Figure FDA0002285031370000049
其中hk和fk表示辅助函数，Pc,k表示电路损耗，
Figure FDA00022850313700000410
表示用户可达速率,
Figure FDA00022850313700000411
表示窃听者可达速率，Pt T表示BS发送功率，
Figure FDA00022850313700000412
表示用户k的功率损耗，λ表示用户安全能效，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；
Figure FDA00022850313700000413
表示BS功率分配因子，
Figure FDA00022850313700000414
表示用户端功率分配因子，固定安全能效λT，根据目标函数求解Pt T和
Figure FDA00022850313700000415
4.根据权利要求1所述的基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，其特征在于，所述安全能效选择通过二分法进行内部迭代，根据安全能效
Figure FDA00022850313700000416
其中迭代次数T＝0，最大迭代次数Tmax；所述安全能效
Figure FDA00022850313700000417
Figure FDA00022850313700000418
，
Figure FDA00022850313700000419
其中f1和f2表示辅助函数，Pt T表示BS发送功率，
Figure FDA00022850313700000420
表示BS功率分配因子，
Figure FDA00022850313700000421
表示用户可达速率，
Figure FDA0002285031370000051
表示窃听者可达速率，
Figure FDA0002285031370000052
表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，Pc,k表示电路损耗，ε(Pt(1-ρk)+pk)+Pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，
Figure FDA0002285031370000053
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure FDA0002285031370000054
当f1*f2≥0，
Figure DEST_PATH_FDA0002458191980000055
如果m＞ξ，T＝T+1，否则，
Figure FDA0002285031370000056
其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，
Figure FDA0002285031370000057
为最大安全能效，
Figure FDA0002285031370000058
为最小安全能效。
5.根据权利要求1所述的基于SWIPT的大规模MIMO系统最大化最小用户安全能效优化方法，其特征在于，整体方法收敛判决条件为：
Figure FDA0002285031370000059
其中，
Figure FDA00022850313700000510
为设定收敛精度。
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