[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

说明书

本发明公开了安全携能通信中功率分割因子与波束成型联合优化方法。本发明步骤如下：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。本发明方法确保了SWIPT通信网络中安全通信性能的要求。

技术领域

本发明属于信息与通信工程技术领域，提出了安全无线携能通信网络中存在多个配备功率分割接收机的中继节点最佳功率分割因子与波束成型向量的联合优化方法。

背景技术

随着智能手机的普及和移动互联网应用内容的丰富，人们对移动通信业务的需求远远不止于语音、短信等基本功能。此外，物联网行业的快速兴起使移动通信的服务范围从目前人与人之间的通信进一步扩展到人与物、物与物之间的通信，随之而来的是网络中海量设备的同时在连接。近年来移动通信数据流量呈现出指数增长的态势，且预计在未来较长时间内仍保持高速增长。然而，这种爆炸式的增长也导致发送与接收两端的能量消耗急剧增加。日益增长的能量消耗，对于使用电池供电的通信设备(例如，物联网或者无线传感网中的通信节点)而言，负担不断加重。为了延长整个通信网络的工作寿命，需要频繁地为通信节点更换电池或者充电，这必然导致维护成本的增加。特别地，对于一些部署在特殊的应用环境中(例如部署于高海拔、低气压、严寒等恶劣环境下的测控节点)的通信节点，设备的维护显得更加困难。尽管厂商们在研发智能设备时通过降低芯片功耗、优化操作系统等方法以延长设备工作时间，但在实际应用中仍然不能满足人们日益增长的工作生活需求。因此，人们一直在寻求更好的方法以解决终端设备的能耗问题。

近年来，能量采集(Energy Harvesting,EH)技术成为通信行业的研究热点之一。能量采集设备在非通信的空闲时隙从周围环境中获取能量，常用能源包括太阳能、风能、地热能与振动能等。虽然以自然能源作为采集能量的源头固然能够进一步节省网络的能量消耗，但是这些自然能源受天气等外界因素的影响较大，采集效率十分有限，并且会影响通信网络的稳定性。在此基础上，学者们发现无线射频(Radio Frequency,RF)信号能够在传输信息的同时携带能量，且相比于太阳能等自然能源更加可控，传播距离也相对更远。因此，从RF信号中获取能量不失为一种有效的途径，无线携能通信(Simultaneous WirelessInformation and Power Transfer,SWIPT)技术应运而生。在配备SWIPT技术的通信系统中，通信设备能够利用射频信号完成能量采集，网络中的各种干扰均能够被转化为设备的能量收益，因此该技术不仅能够解决网络中节点能量受限的问题，也能够提高环境中能量的利用效率，即将为新一代无线通信带来变革。

无论网络规模如何发展、网络形态如何变迁，保障信息安全始终是通信系统中永恒不变的主题之一。SWIPT技术利用RF信号实现了能量与信息的并行传输，但无线信号的开放性和广播性特点导致极易受到窃听者的非法窃听。传统基于计算量的加密机制从协议栈的应用层等上层解决无线信息的安全传输问题，其往往假设窃听者的计算能力有限，并且系统具有完美的安全密钥管理和分发机制。但窃听者计算能力的提高、无线通信节点的移动性以及可利用资源的限制，使得传统加密方式的安全性面临着诸多问题。近年来，从物理层的角度研究无线通信的安全性逐渐成为一个研究热点。基于信息论的无线物理层安全技术(Physical Layer Security,PLS)利用主信道和窃听信道的随机性、差异性和互易性等物理特性保障无线信息的安全传输，引起了国内外学术界和产业界的广泛关注利用物理层安全的思想解决SWIPT系统中的安全问题，能够避免复杂的上层加密方式，同时满足能量无线传输和信息可靠、安全传输的现实需求，因此具有非常广阔的应用前景。评价SWIPT通信系统安全性能的主要技术指标有：安全通信速率、信息截获概率、安全能效等。

发明内容