[发明专利]基于有效安全容量的最优功率分配方法

摘要

本发明公开了一种基于有效安全容量的最优功率分配方法，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，该方法包括的具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法。

主权项

1.基于有效安全容量的最优功率分配方法，其特征在于，该方法采用的系统包括均配备1根全向天线的1个发射机、1个合法用户和1个窃听者，以及配备多根全向天线的1个协作干扰机，假设协作干扰机知道所有信道的信道状态信息；所有的信道均为瑞利块衰落信道；通过设计协作干扰机处的波束赋形矢量，对合法用户和窃听者引入差异化的干扰，具体步骤如下：1)发射机和合法用户进行通信，协作干扰机发射干扰信号对合法用户和窃听者引入差异化的干扰；根据合法用户和窃听者接收到的信号求出安全容量，并结合有效安全容量的定义得出有效安全容量的表达式；具体实现方法如下：101)发射机以数据帧的形式发送数据，得到在第i帧时合法用户和窃听者接收到的信号；合法用户和窃听者接收到的信号分别为：其中，P_S表示发射机的功率，是恒定的；P_J表示协作干扰机的功率，且x_s表示发射机发送的信号，且E[|x_s|²]＝1；ωz表示协作干扰机发送的信号，其中，表示协作干扰机处的波束赋形矢量，且ω＝(ω₁,ω₂,...ω_m)^T，||ω||²＝1；z表示干扰信号，且E[|z|²]＝1；n_D和n_E表示零均值的循环对称复高斯随机变量，且独立同分布；h_S,D∈C^1×1表示发射机到合法用户的信道；h_S,E∈C^1×1表示发射机到窃听者的信道；h_J,D∈C^m×1表示协作干扰机到合法用户的信道，其中h_J,D＝(h_J,D1,h_J,D2,...h_J,Dm)^T；h_J,E∈C^m×1表示协作干扰机到窃听者的信道，其中h_J,E＝(h_J,E1,h_J,E2,...h_J,Em)^T；102)利用合法用户和窃听者接收到的信号，得到有效安全容量的表达式；有效安全容量C(θ)的表达式为：其中，θ为服务质量指数；T为一帧的持续时间；B为带宽；R为表示安全速率；2)利用有效安全容量的表达式，建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，并在协作干扰机平均功率受限和协作干扰机功率非负的条件下对有效安全容量进行优化，以有效安全容量最大化为目标获得最终的功率分配方法；其中建立协作干扰机的功率与有效安全容量的关系，具体如下：s.t:0≤R≤R_SP_J≥0其中，P_J表示每一种信道状态下协作干扰机分配的功率；表示协作干扰机处的波束赋形矢量；R_S表示安全容量；表示协作干扰机所能分配的最大平均功率；设计协作干扰机处的波束赋形矢量得到安全容量新的表达式；接着，将安全容量分大于零和等于零两种情况进行讨论，得出新的优化问题；s.t.P_J≥0其中，P_S表示发射机Alice的功率，是恒定的；表示发射机到合法用户对噪声归一化的信道增益；表示发射机到窃听者对噪声归一化的信道增益；表示协作干扰机到窃听者对噪声归一化的信道增益；表示协作干扰机到合法用户和窃听者信道之间夹角余弦值的平方；通过拉格朗日对偶函数求解新的优化问题，并通过不断迭代拉格朗日乘子得到新的优化问题的最优解；新的优化问题对应的拉格朗日函数为：其中，λ_R、λ_P、ν为拉格朗日乘子；对应的拉格朗日对偶函数为：令，将限制条件代入f_z(P_J,λ_P,ν)，可得其中，新的优化问题的求解：因为则h_z(P_J,λ_P,ν)是关于P_J的凸函数，故h_z(P_J,λ_P,ν)的最小值当其一阶导数等于0时取得令得到令，a＝P_Sz_S,E、b＝z_J,Eα、c＝(1+P_Sz_S,D)^β、d＝αβP_Sz_S,Ez_J,E；则上式写为令其是P_J的减函数；得出下式所示的发射机的局部最优功率P_loopt接着，通过下面所示的算法求解发射机的最优功率P_opt，并通过迭代算法来求解新的优化问题；步骤1：初始化P_opt和ν值初始化P_opt＝0；找到ν_l和ν_u，使其分别满足和反复执行如下步骤2和3，直至成立，其中，ε为很小的正实数，并求出对偶问题的解；步骤2：步骤2.1：ν＝(ν_l+ν_u)/2，对于每一种信道状态，利用式分别求出局部最优的功率P_loopt；步骤2.2：如果h_z(P_loopt,λ_P,v)＜f_z(0,0,λ_P,v)，最优功率P_opt＝P_loopt；否则，P_opt＝0；步骤3：更新ν_l和ν_u；如果ν_u＝ν；否则ν_l＝ν。