一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法与流程

1.本发明涉及一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，属于全双工中继无线通信技术领域。


背景技术：

2.全双工无线携能中继通信系统可在提升数据传输频谱效率、扩展系统的通信覆盖区域基础上，同时传输信息和能量，使得能量供应受限的移动设备能同时接收信息和收集能量，在5g通信时代，全双工无线携能中继通信系统对于多种类型的现代通信网络中的能量和信息传输具有重要意义。然而，无线信道的广播特性使得无线携能中继通信系统受到不可信能量接收端的窃听，导致系统存在着严重的信息泄露风险。现有的大部分研究是通过在全双工中继处加入人工噪声干扰窃听信道，以此来实现全双工中继通信系统的保密传输。但这些方案没有考虑到由于人工噪声的使用会分割全双工中继的部分信息传输功率，导致全双工中继处能量效率的降低。事实上，随着5g的深入应用，用户的数据流量需求急剧增长，导致通信系统用于数据传输的能量消耗激增，进而大幅缩短了能量受限设备工作周期并提升了通信系统数据传输成本。因此，研发全双工中继通信系统数据传输的高能效方案不仅具有显著的经济效益，而且具有巨大的生态效益。针对无线通信环境的安全性和能效性需求，在设计全双工无线携能中继通信系统时需要考虑数据传输的保密效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，该方法在计算中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵的过程中，考虑到整个系统的保密能量效率，使整体的性能提升。
4.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.第一方面，本发明提供了一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，包括如下步骤：
6.构建基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型，该模型以全双工无线携能中继节点处的保密能量效率最大化为目标；
7.采用连续凸近似和惩罚函数，对波束成形优化问题模型进行近似凸转换；
8.采用迭代优化算法，计算近似凸转换后的波束成形优化问题模型，获得全双工无线携能中继通信系统保密能量效率最大化下的最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。
9.进一步的，所述全双工无线携能中继通信系统包括一个单天线源节点、一个单天线目的节点、k个单天线不可信能量采集节点和一个全双工中继节点，其中全双工中继节点包括m
t
个发射天线和m
r
个接收天线，m
t
>m
r
。
10.进一步的，波束成形优化问题模型为：
11.[0012][0013]
p
k
≥η
k
,k∈k
[0014]
h
rr
w＝0,h
rr
q＝0
[0015]
其中，h
rr
是中继自干扰信道，约束条件h
rr
w＝0,h
rr
q＝0为中继节点处的自干扰迫零约束，为中继最大发射功率，p
k
为第k个能量采集节点的采集功率，η
k
表示第k个能量采集节点所需的最小采集能量，w为中继波束成形矩阵，q为人工噪声协方差矩阵，η
see
为保密能量效率，计算公式为：
[0016][0017]
其中，r
sec
表示全双工无线携能中继通信系统的保密传输率，p
total
是全双工无线携能中继通信系统的总功率，p
r
是中继发射功率，p
c
为硬件电路功耗，p
sic
为自干扰消除功耗，β为中继端的功率有效转换系数，γ
d
和γ
k
分别为采用迫零技术下的目的节点和第k个能量采集节点的信干噪比，计算公式为：
[0018][0019][0020]
其中，p
s
为源节点的发射功率，w为中继波束成形矩阵，q为人工噪声协方差矩阵，h
sr
是源节点到中继节点的信道矢量，h
rd
和h
rk
分别是中继节点到目的节点和能量采集节点的信道矢量，和分别为中继、目的节点和第k个能量采集节点的噪声功率。
[0021]
进一步的，所述p
r
满足如下约束：
[0022][0023]
其中，为中继最大发射功率；
[0024]
所述p
k
满足如下约束：
[0025][0026]
其中，ξ表示能量转换效率。
[0027]
进一步的，近似凸转换后的波束成形优化问题模型为：
[0028][0029][0030]
ξ(tr((a
k
b
k
)q
u
) tr(c
k
v))≥η
k
，k∈k
[0031]
β(tr(dq
u
) tr(v)) p
c
p
sic
≤b/ln2
[0032]
[0033][0034]
其中，a，b，c为辅助变量，为所述基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型的可行解，和分别为矩阵的最大特征值与对应的特征矢量，f
k
(q
u
，v)，为优化过程中间变量，且f
k
(q
u
，v)＝ln(tr((a
d
b
d
)q
u
) tr(c
d
v) 1) ln(tr(b
k
q
u
) tr(c
k
v) 1)；v) 1)；a
i
、b
i
、c
i
、d为便于优化过程表示的信道变换矩阵，且于优化过程表示的信道变换矩阵，且i表示单位矩阵，表示克罗内克积，g
ri
，h
sr
，h
ri
为信道矩阵，且g
ri
＝p
h
h
ri
p，i∈{d，k}，为h
rr
的零空间，其中r为h
rr
的秩，即r＝rank(h
rr
)，且满足w＝pu，q＝pvp
h
，其中q
u
＝vec(u)vec(u)
h
，u，v为新的辅助变量。进一步的，在迭代优化计算中，当前迭代轮次最优解的辅助变量与前一迭代轮次最优解的辅助变量之间的差值小于收敛精度，迭代结束；采用当前迭代轮次最优解计算最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。
[0035]
进一步的，计算最佳中继节点波束成形矩阵w
*
和人工噪声协方差矩阵q
*
，表达式为：
[0036][0037]
q
*
＝pv
*
p
h
[0038]
其中，vec
‑1(a)表示逆向量化运算。
[0039]
第二方面，本发明公开了一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输系统，包括：
[0040]
模型构建模块，用于构建基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型，该模型以全双工无线携能中继节点处的保密能量效率最大化为目标；
[0041]
凸转换模块，用于采用连续凸近似和惩罚函数，对波束成形优化问题模型进行近似凸转换；
[0042]
模型计算模块，用于采用迭代优化算法，计算近似凸转换后的波束成形优化问题模型，获得全双工无线携能中继通信系统保密能量效率最大化下的最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。
[0043]
第三方面，本发明公开了一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输装置，包括处理器及存储介质；
[0044]
所述存储介质用于存储指令；
[0045]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
[0046]
第四方面，本发明公开了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0047]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0048]
一、本发明通过提供一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，在计算中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵的过程中，考虑到整个系统的保密能量
效率，使整体的性能提升。
[0049]
二、本发明通过提供一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，将全双工中继技术与无线携能技术结合，进一步提升频谱效率和保密能量效率。
[0050]
三、本发明提出的系统保密能效定义，为系统物理层安全性能和能量效率的综合评估提供了定量分析指标，涉及的优化算法实现了全双工中继通信系统保密能效的最大化，达到系统保密性和能效性的最佳平衡。
[0051]
四、本发明提出的人工噪声辅助的全双工中继通信系统模型，一方面可利用人工噪声充当能量信号向能量采集节点供能，另一方面可有效阻止能量采集节点恶意窃听，保障了系统的安全性。
附图说明
[0052]
图1是本发明实施例一提供的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法示意图；
[0053]
图2是本发明实施例一提供的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法系统模型图；
[0054]
图3是本发明实施例一提供的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法算法流程图；
[0055]
图4是本发明实施例一提供的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法算法收敛图；
[0056]
图5是本发明实施例一提供的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法与不同方案的保密能量效率对比图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0058]
实施例一：
[0059]
请参阅图2，本发明系统模型包括：源节点(s)，目的节点(d)，全双工中继节点(fd
‑
r)，和k个不可信能量采集节点(ehr
k
)，其中s，d和ehr
k
均配备单天线，fd
‑
r配备m
r
根接收天线和m
t
根发送天线，且假设s和d之间不存在直达径。结合附图1
‑
3对本发明公开的一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法具体步骤描述如下：
[0060]
构建不可信能量采集节点场景下的全双工无线携能中继节点信号传输模型；
[0061]
以全双工无线携能中继节点信号传输模型的保密能量效率最大化为目标函数，建立基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型；
[0062]
采用连续凸近似和惩罚函数联合方法实现对基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型的近似凸转换；
[0063]
基于近似凸转换后的波束成形优化问题模型，设计一种快速收敛的迭代优化算法，获得使系统保密能量效率最大化的最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。
[0064]
本专利提出的一种人工噪声辅助的全双工无线携能中继通信系统高能效保密传
输方法，针对无线携能放大转发全双工中继通信系统，提出该系统中保密能效的定义。中继在采用放大转发协议下，则目的节点和第k个能量采集节点的可达速率分别为：
[0065][0066][0067]
其中，p
s
为源节点的发射功率，w为中继波束成形矩阵，q为人工噪声协方差矩阵，h
sr
是源节点到中继节点的信道矢量，h
rd
和h
rk
分别是中继节点到目的节点和能量采集节点的信道矢量，和分别为中继、目的节点和第k个能量采集节点的噪声功率。
[0068]
定义该全双工无线携能中继节点信号保密能量效率η
see
为：
[0069][0070]
其中，r
sec
表示全双工无线携能中继通信系统的保密传输率，p
total
是全双工无线携能中继通信系统的总功率，p
r
是中继发射功率，p
c
为硬件电路功耗，p
sic
为自干扰消除功耗，β为中继端的功率有效转换系数。
[0071]
对于能量受限的中继系统，信号的总发送功率p
r
应满足如下约束：
[0072][0073]
其中，为中继最大发射功率。同时为了满足能量采集节点的最小能量采集要求，第k个能量采集节点的采集功率p
k
应满足以下约束：
[0074][0075]
其中，η
k
表示第k个能量采集节点所需的最小采集能量，ξ表示能量转换效率。
[0076]
基于此，该全双工无线携能中继通信系统的保密能量效率最大化问题可以建模为非凸问题(6)，包括：
[0077][0078][0079]
p
k
≥η
k
，k∈k
ꢀꢀ
(6c)
[0080]
h
rr
w＝0，h
rr
q＝0
ꢀꢀ
(6d)
[0081]
其中，h
rr
是中继自干扰信道，约束条件(6d)为中继节点处的自干扰迫零约束。
[0082]
其次，假设h
rr
的零空间为其中r＝rank(h
rr
)，并定义w＝pu，与且满足q＝pvp
h
，其中q
u
＝vec(u)vec(u)
h
，u，v为新的辅助变量，然后通过辅助变量法进行等价转换，可将非凸问题(6)转换为优化问题(7)，包括：
[0083]
[0084]
s.t.ln(1 γ
d
(q
u
，v))
‑
ln(1 γ
k
(q
u
，v))≥c2，k∈k
ꢀꢀ
(7b)
[0085]
β(tr(dq
u
) tr(v)) p
c
p
sic
≤b/ln 2
ꢀꢀ
(7c)
[0086]
c2/b≥a
ꢀꢀ
(7d)
[0087][0088]
ξ(tr((a
k
b
k
)q
u
) tr(c
k
v))≥η
k
，k∈k
ꢀꢀ
(7f)
[0089]
rank(q
u
)＝1
ꢀꢀ
(7g)
[0090]
其中，a，b，c为辅助变量，b
i
，c
i
，d为便于优化过程处理的信道变换矩阵，且理的信道变换矩阵，且其中g
ri
＝p
h
h
ri
p，p，i∈{d，k}，i表示单位矩阵，表示克罗内克积，g
ri
，h
sr
，h
ri
为信道矩阵，为h
rr
的零空间，其中r为h
rr
的秩，即r＝rank(h
rr
)；
[0091]
优化问题(7)仍为非凸问题，对非凸约束条件(7g)，可等价表示为：
[0092][0093]
将公式(8)作为惩罚函数带入到目标函数(7a)并采用一阶泰勒展开对其进行处理，优化问题(7)可转换为以下问题，即：
[0094][0095]
s.t.(7b)
‑
(7f)
ꢀꢀ
(9b)
[0096]
其中，和分别为矩阵的最大特征值与对应的特征矢量。
[0097]
优化问题(9)仍为非凸问题，对非凸约束条件(7b)定义以下函数：
[0098]
f
k
(q
u
，v)＝ln(tr((a
d
b
d
)q
u
) tr(c
d
v) 1) ln(tr((b
k
c
k
)v) 1)
ꢀꢀ
(10a)
[0099]
g
k
(q
u
，v)＝ln(tr(a
k
b
k
)q
u
) tr(c
k
v) 1) ln(tr((b
d
c
d
)v) 1)
ꢀꢀ
(10b)
[0100]
结合(10a)、(10b)并采用连续凸近似的方法对约束条件(7b)、(7d)进行处理，优化问题(9)可以转换成以下凸近似问题：
[0101][0102][0103][0104]
(7c)，(7e)
‑
(7f)
ꢀꢀ
(11d)
[0105]
其中，f
k
(q
u
，v)，为优化过程中间函数变量，为优化问题(6)可行解，且：
[0106][0107]
最后，设计一种快速收敛的迭代优化算法，可获得系统保密能效最大化下的最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。所提优化算法如下：
[0108]
步骤1：设置源节点的发送功率p
s
，中继最大发送功率中继收发天线数m
r
、m
t
及各节点噪声功率等参数；
[0109]
步骤2：设置收敛精度ε及迭代序号i＝0；
[0110]
设置一个初始可行解
[0111]
设置i＝i 1，基于迭代优化算法求解近似凸转换后的波束成形优化问题模型，得到全双工无线携能中继通信系统保密能效最大化下的最优解其中a,b,c为辅助变量；
[0112]
当a
i
‑
a
i
‑1>ε时，设置并重新设置i＝i 1，基于所述迭代优化算法求解近似凸转换后的波束成形优化问题模型，否则算法收敛；
[0113]
基于收敛后的算法，计算最优解
[0114]
基于最优解计算最佳中继节点波束成形矩阵w
*
和人工噪声协方差矩阵q
*
：q
*
＝pv
*
p
h
，其中vec
‑1(a)表示逆向量化运算。
[0115]
图4是所提算法迭代性能与最优性能仿真图。从图4可以看出最优化过程可以在10以内的迭代次数得到最优性能，即达到收敛。验证所提出算法可在较小迭代次数下快速收敛。
[0116]
图5是本发明所提出的保密能量效率最大化方案与半双工保密能量效率最大化(seem
‑
hd)方案、全双工保密率最大化(srm
‑
fd)方案和全双工能效最大化(eem
‑
fd)三种方案的保密能效对比图。从图5可以看出，seem
‑
fd方案的性能优于seem
‑
hd，srm
‑
fd和eem
‑
fd方案。相较于seem
‑
hd，seem
‑
fd可获得更高的保密率，提升了保密能效性；对于srm
‑
fd，在系统保密能效性达到最佳值仍以全功率发送信号，导致系统能效性在后开始下降。而对于eem
‑
fd方案，因其未考虑系统安全性，无法有效应对能量采集节点的窃听，保密能效相较于seem
‑
fd性能显著下降。
[0117]
实施例二：
[0118]
本发明实施例二提供了一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输系统，包括：
[0119]
模型构建模块，用于构建基于人工噪声辅助的波束成形优化问题模型，该模型以
全双工无线携能中继节点处的保密能量效率最大化为目标；
[0120]
凸转换模块，用于采用连续凸近似和惩罚函数，对波束成形优化问题模型进行近似凸转换；
[0121]
模型计算模块，用于采用迭代优化算法，计算近似凸转换后的波束成形优化问题模型，获得全双工无线携能中继通信系统保密能量效率最大化下的最佳中继节点波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。
[0122]
实施例三：
[0123]
本发明实施例三提供了一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输装置，包括处理器及存储介质；
[0124]
所述存储介质用于存储指令；
[0125]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例一中所述方法的步骤。
[0126]
实施例四：
[0127]
本发明实施例四提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例一中所述方法的步骤。
[0128]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0129]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0130]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0131]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0132]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。