CN111885691B - 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备 - Google Patents

无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备 Download PDF

Info

Publication number
CN111885691B
CN111885691B CN202010616166.1A CN202010616166A CN111885691B CN 111885691 B CN111885691 B CN 111885691B CN 202010616166 A CN202010616166 A CN 202010616166A CN 111885691 B CN111885691 B CN 111885691B
Authority
CN
China
Prior art keywords
communication link
node
power
interference
wireless energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010616166.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111885691A (zh
Inventor
冯维
何树芳
严军荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sunwave Communications Co Ltd
Original Assignee
Sunwave Communications Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sunwave Communications Co Ltd filed Critical Sunwave Communications Co Ltd
Priority to CN202010616166.1A priority Critical patent/CN111885691B/zh
Publication of CN111885691A publication Critical patent/CN111885691A/zh
Priority to PCT/CN2021/086629 priority patent/WO2022001282A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111885691B publication Critical patent/CN111885691B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H04W52/24—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters
    • H04W52/241—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters taking into account channel quality metrics, e.g. SIR, SNR, CIR, Eb/lo
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H04W52/24—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters
    • H04W52/243—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters taking into account interferences
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • H04W72/0473—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource the resource being transmission power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
    • H04W72/541—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using the level of interference
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
    • H04W72/542—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using measured or perceived quality
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本申请涉及一种无线携能网络的功率分配方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，其中，该无线携能网络的功率分配方法包括：以无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足通信链路的传输需求为约束条件，以通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，优化问题至少基于通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；基于无线携能网络的优化问题，确定无线携能网络中的通信链路的发送节点在每一个功率分配比的取值下的最优发射功率值。通过本申请，解决了相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，实现了提高无线携能网络安全性的技术效果。

Description

无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备
技术领域
本申请实施例涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无线携能网络的功率分配方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
背景技术
随着移动终端技术的迅速发展，传感器和其他新兴技术的关注点之一是确保低复杂性、低成本以及低功耗地实现可靠通信。为了解决传感器等组成的网络能量受限的问题，能量收集作为一种替代电池供电的技术，成为能够解决或者延长网络生存时间的一种有效方法。人们通常从大自然中收集能量，例如太阳能、风能、动能和电磁能等。然而，这些自然能源的可用性通常受位置或气候的限制，并且在室内化境中可能是有问题的，不能保证可靠通信。
射频信号以其稳定、可控制的优点，逐渐称为能量收集的主要方式。基于射频信号既是信息载体又是能量载体这一特性，出现了一门新兴的支持无线信息与能量联合传输的技术，即无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，简称为SWIPT)技术。无线携能通信技术融合通信技术以及输电技术，实现信息与能量的并行传输，在传输信息的同时实现能量采集。在基于无线携能通信的多跳网络中，发送节点发送合法信息至目的节点的过程中，中继节点从发送节点接收并采集无线电信号能量，提高了节点远距离信息传输的能力。
与此同时，因为射频信号传输的扩散特性和无线链路内在随机性，无线携能网络中传输的信息可能会被恶意的接收者偷听。于是，如何保证无线携能网络的信息传输安全是无线携能网络技术研究的一个重点领域。
目前，关于无线携能网络的研究大多关注于无线携能通信的终端设计、无线携能通信的物理层安全、无线携能通信的能量效率。在中小功率、近距离的应用场景下，基于无线携能网络的物理层安全技术研究目前已经取得较大进展。无线携能通信同时接收信息和能量的两种策略为：时间切换和功率分配。相关技术中无线携能网络的物理层安全技术往往采用时间切换策略，但是时间切换策略的应用场景有限，对于多跳网络、存在多个共谋窃听以及网络节点处于全双工模式下的无线携能网络难以起到良好的安全防护作用。
针对相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种无线携能网络的功率分配方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，以至少解决相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种无线携能网络的功率分配方法，应用于包括多个共谋窃听节点且网络节点均工作在全双工模式下的无线携能网络，所述方法包括：
以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件，以所述通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，所述优化问题至少基于所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；
其中，所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系表示为：
Figure BDA0002563785500000021
所述安全连接概率表示为：
Figure BDA0002563785500000022
PJ是通信链路的目的节点在接收信息同时发出的干扰功率，
Figure BDA0002563785500000023
为目的节点的接收能量，PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数；
基于所述无线携能网络的优化问题，确定所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
在其中一些实施例中，在以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件之前，所述方法还包括：
根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述无线携能网络的通信链路安全连接概率表达式。
在其中一些实施例中，根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述无线携能网络的通信链路安全连接概率表达式包括：
根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系；
根据所述干扰功率与所述发射功率的关联关系，确定所述通信链路的安全连接概率表达式。
在其中一些实施例中，根据所述干扰功率与所述发射功率的关联关系，确定所述通信链路的安全连接概率表达式包括：
基于干扰功率与发射功率的关联关系，以及通信链路的路径损耗指数、通信链路的距离、通信链路的发送节点与每个窃听节点的距离，确定所述无线携能网络的第一信干噪比、第二信干噪比以及第三信干噪比，其中，所述第一信干噪比包括所述通信链路的目的节点处的信干噪比以及窃听节点处的信干噪比；所述第二信干噪比包括每个窃听节点从所述通信链路的发送节点接收到的信干噪比；所述第三信干噪比包括每个窃听节点从所有通信链路接受到的总信干噪比；
根据所述干扰功率与发射功率的关联关系以及第一信干噪比、第二信干噪比与第三信干噪比，计算得到所述通信链路的安全连接概率表达式。
在其中一些实施例中，根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系包括：
建立所述无线携能网络的通信模型；
从所述通信模型中提取中继节点的工作过程，确定所述中继节点的工作模型，其中，所述中继节点的转发采用解码转发模式；
根据所述工作模型，在所述通信链路的目的节点只接收相邻发送节点传输的信息以及通信链路上包括多个共谋窃听节点的情况下，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
在其中一些实施例中，根据所述工作模型，在所述通信链路的目的节点只接收相邻发送节点传输的信息以及通信链路上包括多个共谋窃听节点的情况下，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系包括：
从所述工作模型中提取所述通信链路的发送节点的发射功率、目的节点的干扰功率，在通信链路主信道与窃听信道满足准静态瑞利分布的情况下，分别确定所述通信链路中的目的节点的接收信号以及窃听节点的接收信号；
从所述工作模型中提取传输的持续时间，并确定所述目的节点的接收能量；
根据所述目的节点的接收信号与接收能量以及窃听节点的接收信号，计算得到所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
在其中一些实施例中，所述优化问题表示为：
优化目标：maxPr；
约束条件：
Figure BDA0002563785500000041
且0≤β≤1；
其中，
Figure BDA0002563785500000042
PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数。
第二方面，本申请实施例提供了一种无线携能网络的功率分配装置，所述装置包括：
优化模块，用于以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件，以所述通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，所述优化问题至少基于所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；
其中，所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系表示为：
Figure BDA0002563785500000043
所述安全连接概率表示为：
Figure BDA0002563785500000044
PJ是通信链路的目的节点在接收信息同时发出的干扰功率，
Figure BDA0002563785500000045
为目的节点的接收能量，PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数；
确定模块，用于基于所述无线携能网络的优化问题，确定所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的无线携能网络的功率分配方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的无线携能网络的功率分配方法。
相比于相关技术，本申请实施例提供的无线携能网络的功率分配方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，解决了相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，实现了提高无线携能网络安全性的技术效果。
本申请实施例的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请实施例的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请实施例的一部分，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，并不构成对本申请实施例的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的无线携能网络的功率分配方法的流程图；
图2是根据本申请实施例的安全连接概率与发射功率(功率分配比分别为0.1，0.3，0.5，0.7)的曲线关系示意图；
图3是根据本申请实施例的安全连接概率与发射功率以及功率分配比的曲面关系示意图；
图4是根据本申请优选实施例的无线携能网络的功率分配方法的流程图；
图5是根据本申请实施例的无线携能网络的通信模型的结构框图；
图6是根据本身实施例的无线携能网络的功率分配装置的结构示意图；
图7是根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请实施例进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请实施例，并不用于限定本申请实施例。基于本申请实施例提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请实施例应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请实施例公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请实施例揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请实施例公开的内容不充分。
在本申请实施例中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请实施例的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请实施例所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请实施例所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请实施例所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请实施例所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请实施例所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请实施例所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请实施例所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本实施例提供了一种无线携能网络的功率分配方法，应用于包括多个共谋窃听节点且网络节点均工作在全双工模式下的无线携能网络。图1是根据本申请实施例的无线携能网络的功率分配方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S101，以无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足通信链路的传输需求为约束条件，以通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，优化问题至少基于通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定。
在本实施例中，无线携能网络可以为基于无线携能通信的多跳传感器网络，且无线携能网络中的网络节点位置已知，工作在全双工模式(Full-Duplex Transmissions，简称为FDT)下，即网络节点在发送信息的同时接受信息，发送信息与接收信息的动作同步进行，以及无线携能网络中存在多个共谋窃听节点。
在其中一些实施例中，优化问题可以表示为：
优化目标：；max Pr；
约束条件：
Figure BDA0002563785500000071
且0≤β≤1；
其中，
Figure BDA0002563785500000072
PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数。
图2是根据本申请实施例的安全连接概率与发射功率(功率分配比分别为0.1，0.3，0.5，0.7)的曲线关系示意图，在其中一些实施例中，如图2所示，x轴为通信链路的发送节点的发射功率，y轴为通信链路的安全连接概率，优化问题的约束条件要求PS满足通信链路的传输需求，即在β＝0.1，β＝0.3，β＝0.5，β＝0.7的情况下，PS的取值需要分别大于或等于图中相应的竖线。
图3是根据本申请实施例的安全连接概率与发射功率以及功率分配比的曲面关系示意图，在其中一些实施例中，如图3所示，x轴为通信链路的发送节点的发射功率，y轴为功率分配比，z轴为通信链路的安全连接概率，优化问题的目标要求通信链路的安全连接概率最大化，即通过选择β以及PS的值使得Pr的值最大化。
步骤S102，基于无线携能网络的优化问题，确定无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
在本实施例中，在通信链路的目的节点处的信干噪比大于预设阈值的情况下，在每一个功率分配比的取值下都存在一个最优发射功率值，使得通信链路的安全连接概率取得最大值。
其中，信干噪比的预设阈值即在保证通信链路的目的节点能够接收到发送节点所发送的信息的情况下目的节点处最低的信干噪比。
通过步骤S101至步骤S102，相对于相关技术而言，通过建立无线携能网络的优化问题，根据无线携能网络的优化问题求解保证无线携能网络中网络节点安全的功率分配比以及通信链路的安全连接概率，并且得到了通信链路的在每一个功率分配比的取值下的最优发射功率值。，解决了相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，实现了提高无线携能网络安全性的技术效果。
图4是根据本申请优选实施例的无线携能网络的功率分配方法的流程图，如图4所示，在其中一些实施例中，包括以下步骤：
步骤S401，根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述无线携能网络的通信链路安全连接概率表达式。
在本实施例中，通信链路的安全连接概率表达式可以为：
max(log2(1+SINRn)-log2(1+SINRe),0)。
其中，SINRn为通信链路目标节点处的信干噪比，SINRe为每个窃听节点从通信链路的目标节点处接受的信干噪比。
在其中一些实施例中，可以根据无线携能网络的通信模型，确定通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，再根据干扰功率与发射功率的关联关系，确定通信链路的安全连接概率表达式。
在本实施例中，在通信链路AnAn+1中，干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系可以为：
Figure BDA0002563785500000081
其中，PJ是通信链路的目的节点在接收信息同时发出的干扰功率，
Figure BDA0002563785500000082
为目的节点的接收能量。
在其中一些实施例中，可以建立无线携能网络的通信模型，再从通信模型中提取中继节点的工作过程，确定中继节点的工作模型，其中，中继节点的转发采用解码转发模式；最后根据工作模型，在通信链路的目的节点只接收相邻发送节点传输的信息以及通信链路上包括多个共谋窃听节点的情况下，确定通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
图5是根据本申请实施例的无线携能网络的通信模型的结构框图，如图5所示，在本实施例中，无线携能网络可以包括N+1个网络节点，其中，网络节点至少包括1个源节点S，1个目的节点D以及N-1个中继节点Ai，(i＝1,...,n,...,N-1)，还包括M个共谋窃听节点Ei，(i＝1,...,m,...,M)。
其中，每个中继节点都可以配备第一天线以及第二天线，工作在全双工模式下，第一天线负责接收信号，第二天线负责发送信号。
在其中一些实施例中，每个中继节点自身储存有能量，中继节点从无线携能网络中捕获的能量用来发送干扰信号以及消除自干扰。
在本实施例中，每个网络节点都可以选择其他无关用户为中继节点，可以假设相邻网络节点之间的距离是相等的以及每个中继节点的发射功率都相同。
在其中一些实施例中，可以从工作模型中提取通信链路的发送节点的发射功率、目的节点的干扰功率，在通信链路主信道与窃听信道满足准静态瑞利分布的情况下，分别确定通信链路中的目的节点的接收信号以及窃听节点的接收信号；从工作模型中提取传输的持续时间，并确定目的节点的接收能量；根据目的节点的接收信号与接收能量以及窃听节点的接收信号，计算得到通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
在本实施例中，目的节点的接收信号为：
Figure BDA0002563785500000091
窃听节点的接收信号为：
Figure BDA0002563785500000092
在通信链路主信道与窃听信道满足准静态瑞利分布的情况下，x为通信链路传输的合法信息，且E[|x|2]＝1，xJ为干扰信号，且E[|xJ|2]＝1，nD和
Figure BDA0002563785500000093
分别是目的节点和窃听节点处的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，简称为AWGN)，Sne为通信链路发送节点与窃听节点之间的瑞利衰落因子，S(n+1)e为通信链路发送目的节点与窃听节点之间的瑞利衰落因子。
目的节点的接收能量为：
Figure BDA0002563785500000094
其中，T为每个传输块的传输持续时间，且信道增益在每个传输块的传输持续时间内保持不变。
根据目的节点的接收信号与接收能量以及窃听节点的接收信号，可以推导得到通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
在其中一些实施例中，可以基于干扰功率与发射功率的关联关系，以及通信链路的路径损耗指数、通信链路的距离、通信链路的发送节点与每个窃听节点的距离，确定无线携能网络的第一信干噪比、第二信干噪比以及第三信干噪比，其中，第一信干噪比包括通信链路的目的节点处的信干噪比以及窃听节点处的信干噪比；第二信干噪比包括每个窃听节点从通信链路的发送节点接收到的信干噪比；第三信干噪比包括每个窃听节点从所有通信链路接受到的总信干噪比；根据干扰功率与发射功率的关联关系以及第一信干噪比、第二信干噪比与第三信干噪比，计算得到通信链路的安全连接概率表达式。
在本实施例中，目的节点处的信干噪比为：
Figure BDA0002563785500000101
窃听节点处的信干噪比为：
Figure BDA0002563785500000102
其中，Dne为通信链路的发送节点与窃听节点之间的距离，D(n+1)e为通信链路的目的节点与窃听节点之间的距离。
根据窃听节点处的信干噪比表达式，可以得到每个窃听节点从通信链路的发送节点接收到的信干噪比：
Figure BDA0002563785500000103
其中，Φe为无线携能网络的通信模型。
根据每个窃听节点从通信链路的发送节点接收到的信干噪比，可以得到每个窃听节点从所有通信链路接受到的总信干噪比：
Figure BDA0002563785500000104
根据第一信干噪比、第二信干噪比与第三信干噪比，可以推导得到通信链路的安全连接概率表达式。
在本实施例中，通信链路的安全连接概率表达式可以为：
Figure BDA0002563785500000105
根据通信链路的安全连接概率表达式，可以推导得到无线携能网络中端到端的安全连接概率的近似解：
Figure BDA0002563785500000106
其中，
Figure BDA0002563785500000107
进一步推导得到，无线携能网络中端到端的安全连接概率的近似解为：
Figure BDA0002563785500000111
步骤S402，以无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足通信链路的传输需求为约束条件，以通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，优化问题至少基于通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定。
在本实施例中，优化问题的表达式可以为：
优化目标：max Pr；
约束条件：SINRn≥rth，且0≤β≤1。
根据无线携能网络中端到端的安全连接概率的近似解的表达式以及通信链路目标节点处的信干噪比表达式，可以将优化问题的表达式推导为：
优化目标：
Figure BDA0002563785500000112
约束条件：
Figure BDA0002563785500000113
且0≤β≤1。
步骤S403，基于无线携能网络的优化问题，确定无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
在存在多个随机分布的窃听节点的情况下，由于无法知晓窃听节点的全局信道状态信息以及位置，而提高无线携能网络物理层安全的本质工作就是降低窃听信道容量的同时提高合法信道的容量，合法信道与窃听信道的信道容量差决定无线携能网络的安全容量。
因此，根据这一物理层安全原理，通过步骤S401至步骤S403，推导无线携能网络的安全连接概率的数学表达式，并求解其近似值，提出了保证网络节点安全的功率分配策略，并且得到了在每一个功率分配比取值下的最优发射功率值。，解决了相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，实现了提高无线携能网络安全性的技术效果。
本实施例还提供了一种无线携能网络的功率分配装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图6是根据本身实施例的无线携能网络的功率分配装置的结构示意图，如图6所示，该装置包括：
优化模块60，耦合至确定模块61，用于以无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足通信链路的传输需求为约束条件，以通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，优化问题至少基于通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；
确定模块61，用于基于无线携能网络的优化问题，确定无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
另外，结合图1描述的本申请实施例的无线携能网络的功率分配方法可以由计算机设备来实现。图7为根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。
计算机设备可以包括存储器72、处理器71以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。
具体地，上述处理器71可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器72可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器72可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(SolidState Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal SerialBus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器72可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器72可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器72是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器72包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。
存储器72可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器71所执行的可能的计算机程序指令。
处理器71通过读取并执行存储器72中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种无线携能网络的功率分配方法。
在其中一些实施例中，计算机设备还可包括通信接口73和总线70。其中，如图7所示，处理器71、存储器72、通信接口73通过总线70连接并完成相互间的通信。
通信接口73用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口73还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
总线70包括硬件、软件或两者，将计算机设备的部件彼此耦接在一起。总线70包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(Control Bus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。在合适的情况下，总线70可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请实施例考虑任何合适的总线或互连。
另外，结合上述实施例中的无线携能网络的功率分配方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种无线携能网络的功率分配方法。
相关技术中无线携能网络的物理层安全技术往往采用时间切换策略，但是时间切换策略的应用场景有限，对于多跳网络、存在多个共谋窃听以及网络节点处于全双工模式下的无线携能网络难以起到良好的安全防护作用。
相比于相关技术，本申请实施例有以下优势：
(1)本申请实施例通过建立无线携能网络的优化问题，根据无线携能网络的优化问题求解保证无线携能网络中网络节点安全的功率分配比以及通信链路的安全连接概率，并且得到了通信链路的发送节点在每一个功率分配比的取值下的最优发射功率值，解决了相关技术中的无线携能网络的安全性低的问题，实现了提高无线携能网络安全性的技术效果。
(2)本申请实施例推导无线携能网络的安全连接概率的数学表达式，并求解其近似值，提出了保证网络节点安全的功率分配策略，并且得到了最优的发送节点的发射功率。
(3)相关技术中的传感器网络中，每个节点自身都储备电能，但是每一节点储备的电能是不均衡的，那么可能会出现第一个消耗完自身电能的节点，当传感器网络中的某一条链路中某一节点或多个节点的能量消耗殆尽，那么这一整条链路就将“死亡”。针对上述问题，本申请实施例通过上一节点传送能量给消耗完自身储备能量的节点，使得消耗完自身储备能量的节点获取一部分能量继续工作的方式，延长了传感器网络的寿命。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请实施例的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请实施例的保护范围。因此，本申请实施例的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线携能网络的功率分配方法，应用于包括多个共谋窃听节点且网络节点均工作在全双工模式下的无线携能网络，其特征在于，所述方法包括：
以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件，以所述通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，所述优化问题至少基于所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；
其中，所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系表示为：
Figure FDA0002563785490000011
所述安全连接概率表示为：
Figure FDA0002563785490000012
PJ是通信链路的目的节点在接收信息同时发出的干扰功率，
Figure FDA0002563785490000013
为目的节点的接收能量，PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数；
基于所述无线携能网络的优化问题，确定所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
2.根据权利要求1所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，在以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件之前，所述方法还包括：
根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述无线携能网络的通信链路安全连接概率表达式。
3.根据权利要求2所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述无线携能网络的通信链路安全连接概率表达式包括：
根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系；
根据所述干扰功率与所述发射功率的关联关系，确定所述通信链路的安全连接概率表达式。
4.根据权利要求3所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，根据所述干扰功率与所述发射功率的关联关系，确定所述通信链路的安全连接概率表达式包括：
基于干扰功率与发射功率的关联关系，以及通信链路的路径损耗指数、通信链路的距离、通信链路的发送节点与每个窃听节点的距离，确定所述无线携能网络的第一信干噪比、第二信干噪比以及第三信干噪比，其中，所述第一信干噪比包括所述通信链路的目的节点处的信干噪比以及窃听节点处的信干噪比；所述第二信干噪比包括每个窃听节点从所述通信链路的发送节点接收到的信干噪比；所述第三信干噪比包括每个窃听节点从所有通信链路接受到的总信干噪比；
根据所述干扰功率与发射功率的关联关系以及第一信干噪比、第二信干噪比与第三信干噪比，计算得到所述通信链路的安全连接概率表达式。
5.根据权利要求3所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，根据所述无线携能网络的通信模型，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系包括：
建立所述无线携能网络的通信模型；
从所述通信模型中提取中继节点的工作过程，确定所述中继节点的工作模型，其中，所述中继节点的转发采用解码转发模式；
根据所述工作模型，在所述通信链路的目的节点只接收相邻发送节点传输的信息以及通信链路上包括多个共谋窃听节点的情况下，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
6.根据权利要求5所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，根据所述工作模型，在所述通信链路的目的节点只接收相邻发送节点传输的信息以及通信链路上包括多个共谋窃听节点的情况下，确定所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系包括：
从所述工作模型中提取所述通信链路的发送节点的发射功率、目的节点的干扰功率，在通信链路主信道与窃听信道满足准静态瑞利分布的情况下，分别确定所述通信链路中的目的节点的接收信号以及窃听节点的接收信号；
从所述工作模型中提取传输的持续时间，并确定所述目的节点的接收能量；
根据所述目的节点的接收信号与接收能量以及窃听节点的接收信号，计算得到所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的无线携能网络的功率分配方法，其特征在于，所述优化问题表示为：
优化目标：maxPr；
约束条件：
Figure FDA0002563785490000031
且0≤β≤1。
8.一种无线携能网络的功率分配装置，其特征在于，所述装置包括：
优化模块，用于以所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率满足所述通信链路的传输需求为约束条件，以所述通信链路的安全连接概率最大化为目标，确定优化问题，其中，所述优化问题至少基于所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系，以及安全连接概率确定；
其中，所述通信链路中的目的节点的干扰功率与发送节点的发射功率的关联关系表示为：
Figure FDA0002563785490000032
所述安全连接概率表示为：
Figure FDA0002563785490000033
PJ是通信链路的目的节点在接收信息同时发出的干扰功率，
Figure FDA0002563785490000034
为目的节点的接收能量，PS为所述通信链路的发送节点的发射功率，β为功率分配比，Pr为所述通信链路的安全连接概率，A为自干扰系数，η为能量转换效率，Dn为通信链路目的节点与发送节点之间的距离，α为路径损耗指数，Hn为通信链路目的节点与发送节点之间的瑞利衰落因子，Rt为码字传输率，N为预设的链路的跳数；
确定模块，用于基于所述无线携能网络的优化问题，确定所述无线携能网络中的通信链路的发送节点的发射功率以及功率分配比。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的无线携能网络的功率分配方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的无线携能网络的功率分配方法。
CN202010616166.1A 2020-06-30 2020-06-30 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备 Active CN111885691B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010616166.1A CN111885691B (zh) 2020-06-30 2020-06-30 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备
PCT/CN2021/086629 WO2022001282A1 (zh) 2020-06-30 2021-04-12 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010616166.1A CN111885691B (zh) 2020-06-30 2020-06-30 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111885691A CN111885691A (zh) 2020-11-03
CN111885691B true CN111885691B (zh) 2023-05-16

Family

ID=73158046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010616166.1A Active CN111885691B (zh) 2020-06-30 2020-06-30 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN111885691B (zh)
WO (1) WO2022001282A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111885691B (zh) * 2020-06-30 2023-05-16 三维通信股份有限公司 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备
CN115412410B (zh) * 2022-11-01 2023-02-03 香港中文大学（深圳） 一种感知、通信和传能一体化传输方法
CN116669138B (zh) * 2023-05-10 2024-02-27 湖南迈克森伟电子科技有限公司 一种无线电通信系统、方法、电子设备与存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016148440A2 (ko) * 2015-03-13 2016-09-22 서울대학교산학협력단 무선 네트워크에서의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드
CN110446186A (zh) * 2019-08-07 2019-11-12 长安大学 车联网中基于swipt的物理层安全通信方法
CN111132347A (zh) * 2019-12-30 2020-05-08 三维通信股份有限公司 无线携能物理层安全传输的资源分配方法、装置及计算机

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111885691B (zh) * 2020-06-30 2023-05-16 三维通信股份有限公司 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016148440A2 (ko) * 2015-03-13 2016-09-22 서울대학교산학협력단 무선 네트워크에서의 송신 전력 분배 방법 및 이를 수행하는 송신 노드
CN110446186A (zh) * 2019-08-07 2019-11-12 长安大学 车联网中基于swipt的物理层安全通信方法
CN111132347A (zh) * 2019-12-30 2020-05-08 三维通信股份有限公司 无线携能物理层安全传输的资源分配方法、装置及计算机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mengyu LIU.Power Allocation for Secure SWIPT Systems With Wireless-Powered Cooperative Jamming.IEEE COMMUNICATIONS LETTERS.2017,全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111885691A (zh) 2020-11-03
WO2022001282A1 (zh) 2022-01-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111885691B (zh) 无线携能网络的功率分配方法、装置和计算机设备
EP2562940B1 (en) Method for cooperative data transmission among terminals, and method for clustering cooperative terminals for same
Sadek et al. A distributed relay-assignment algorithm for cooperative communications in wireless networks
CN111314894B (zh) 一种面向noma与携能d2d融合网络的鲁棒资源分配方法
CN107819738B (zh) 全双工中继系统中基于功率分配的物理层安全控制方法
US20100075688A1 (en) Radion base station device and radio resource connection switching method
CN112218313A (zh) 一种基于能量调度的通信系统及其通信吞吐量优化方法
CN103404202B (zh) 一种确定中继设备的方法、站点、接入点、中继设备及系统
Iqbal et al. GWINs: Group-based medium access for large-scale wireless powered IoT networks
CN106937399B (zh) 全双工缓存中继系统多用户调度方法及系统
CN107333315B (zh) Eh能量收集协作网络中共享带宽的协作传输方法和系统
He et al. A novel distributed resource allocation scheme for wireless-powered cognitive radio Internet of Things networks
Derakhshani et al. Learning-based opportunistic spectrum access with adaptive hopping transmission strategy
Cheng et al. Joint power and time allocation in full‐duplex wireless powered communication networks
Xu et al. Contention-based transmission for decentralized detection
Song et al. Dense wireless sensor networks with mobile sinks
CN104168595A (zh) 一种多点协作传输方法、装置及系统
Lai et al. Optimal wireless information and energy transmissions for UAV-enabled cognitive communication systems
CN110730025B (zh) 一种适用于携能非正交多址通信系统的增量中继方法
Liao et al. Learning-based energy-efficient channel selection for edge computing-empowered cognitive machine-to-machine communications
CN114302452A (zh) 基于多用户场景的cr-noma通信系统性能优化方法
CN111106856B (zh) 一种协作中继网络及其传输方法
Yousaf et al. A unified approach of energy and data cooperation in energy harvesting WSNs
Sabbah et al. Integrating energy harvesting and dynamic spectrum allocation in Cognitive Radio Networks
Hsu et al. A multi-channel mac protocol using maximal matching for ad hoc networks

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant