[发明专利]安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法

权利要求书

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。