[发明专利]基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法

说明书

本发明公开了基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，提出将无线携能通信与基于混合预编码的毫米波大规模MIMO‑NOMA系统相结合，分析该系统存在窃听者时的安全能效最大化的功率分配问题。混合预编码方面由数字预编码和模拟预编码组成，在此基础上结合SWIPT形成一个安全能效最大化的优化问题，同时考虑合法用户的总功率限制、用户速率QoS和采集能量QoS的约束以及窃听者信道不确定性。与传统的数字编码系统相比，本发明提出的功率分配方案安全能效更好。

技术领域

本发明属于无线电传输系统技术领域，具体涉及基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法。

背景技术

目前，5G网络中，毫米波、大规模多输入多输出(MIMO,multiple input multipleoutput)和非正交多址接入(NOMA,non-orthogonal multiple access)等技术的应用能够显著提升5G网络的系统容量和数据速率。另外由于高频毫米波较严重的衰减，系统需配备大量的天线和射频链以提高信号的传输距离。但是数量庞大的天线和射频链又会导致巨大的系统功耗，面对这一问题，基于混合预编码的波束成形能够充分利用多天线提供的空间自由度，以牺牲较小的传输速率大幅减少系统射频链的数量，从而提升系统能效。

除了混合预编码技术，无线携能通信(SWIPT,Simultaneous WirelessInformation and PowerTransfer)技术在近年也受到广泛关注。接收端通过功率分配器把接收的射频信号转换为信息和能量，延长了电池的使用时间，为未来拥有海量连接设备的物联网(IoT,Internet of Thing)提供巨大的节能潜力。但是对于多用户接入的IoT系统，用户间的干扰通常不利于信息解码而有利于能量收集，因此如何有效整合用户间的干扰，平衡信息传输速率和能量收集是多用户系统面临的一大挑战。

无线通信开放和广播的传输特性使其数据传输的安全性受到一定威胁。近年来，联合毫米波、SWIPT和NOMA等技术研究如何保证信息安全传输成为热点。但是，目前仅研究如何提高系统安全传输速率，并未考虑系统能效问题。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，将无线携能通信与基于混合预编码的毫米波大规模MIMO-NOMA系统相结合，分析该系统存在窃听者时的安全能效最大化的功率分配问题。与传统的数字编码系统相比，该功率分配方案安全能效更好。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，包括以下步骤：

S1：建立一个存在窃听用户的下行毫米波NOMA系统模型，该系统模型包括K个合法用户和1个窃听用户，基站配置N_RF个射频链和N_TX根天线，每个合法用户均装配有功率分裂器，功率分裂器将接收射频信号的一部分转化为能量；其中，窃听用户信道添加信道不确定性因素；

S2：该系统模型采用混合模拟数字预编码设计，其发射端采用数字预编码，通过采用NOMA技术，每条射频链形成1个波束，每个波束内可以同时服务多个用户，被服务于一个波束内的用户称为一组用户；其中，模拟预编码生成波束方向，数字预编码对不同的组进行编码以减小波束间干扰；

S3：假设每个组的合法用户根据信道增益按强弱顺序进行排列，并且第k(k∈{1,…,K})个合法用户被分配在第g个分组中第m个位置，记为合法用户(k)或合法用户(g,m)，则可以得到合法用户(g,m)接收信号为：

窃听者信号为：