[发明专利]基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法

权利要求书

1.一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0＜|h₁|²≤|h₂|²≤...≤|h_M|²和0＜|g₁|²≤|g₂|²≤...≤|g_K|²，其中|h_m|²表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|g_k|²表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，a_m是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，x_m是第m个IR的机密信息，σ²是加性高斯白噪声；

步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量E_k；

步骤3、利用安全信息速率的定义，得出在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s，从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件；

步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数a_m。

2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤3中，在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和系统总的可达安全信息速率R^s的计算公式为：

其中

3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤3中无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件如下：

其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下无线携能通信系统的最大总的可达安全信息速率；公式(2)～(4)为约束函数，公式(2)表示为了保证用户公平性，第m个IR接收到的最小可达信息速率为Q_m，公式(3)表示第k个ER接收的最小能量为公式(4)表示分配给每个IR的信号发射功率之和不能大于BS的信号发射总功率P。

4.根据权利要求3所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤4的具体过程如下：

(a)、根据约束函数公式(2)，求出能够满足所有IR接收最小可达信息速率所需要的BS信号发射功率P_{min_ir}；

(b)、根据约束函数公式(3)，求出能够满足所有ER接收最小能量所需要的BS信号发射功率P_{min_er}；

(c)、比较BS的信号发射总功率P与P_{min_ir}和P_{min_er}的大小；如果P大于P_{min_ir}和P_{min_er}，则进行步骤(d)；否则，返回0，表示该无线携能通信系统的优化目标函数不存在解，即无线携能通信系统总的可达安全信息速率R^s为0；

(d)、最优化的信号发射功率分配系数使得无线携能通信系统在满足IR可达信息速率要求和ER能量获取的情况下，得到最大安全信息速率，按照如下公式求出第m个IR的信号发射功率分配系数a_m的最优解：