一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113726396A(43)申请公布日2021.11.30(21)申请号202110818471.3(22)申请日2021.07.20(71)申请人南京邮电大学地址210023江苏省南京市栖霞区文苑路9号(72)发明人欧阳键王雪薇林敏(74)专利代理机构南京纵横知识产权代理有限公司32224代理人董建林(51)Int.Cl.H04B7/155(2006.01)H04K1/02(2006.01)H04W12/03(2021.01)H04W52/34(2009.01)H04W52/46(2009.01)权利要求书3页说明书8页附图3页(54)发明名称一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法(57)摘要本发明公开了全双工中继无线通信领域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，包括如下步骤：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；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；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。本发明通过将全双工中继技术与无线携能技术结合，考虑到整个系统的保密能量效率，进一步提升频谱效率和保密能量效率，使整体的性能提升。CN113726396ACN113726396A权利要求书1/3页1.一种全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，其特征是，包括如下步骤：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；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；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。2.根据权利要求1所述的全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，其特征是，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Mt个发射天线和Mr个接收天线，Mt>Mr。3.根据权利要求1所述的全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，其特征是，波束成形优化问题模型为：Pk≥ηk,k∈KHrrW＝0,HrrQ＝0其中，Hrr是中继自干扰信道，约束条件HrrW＝0,HrrQ＝0为中继节点处的自干扰迫零约束，为中继最大发射功率，Pk为第k个能量采集节点的采集功率，ηk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，ηSEE为保密能量效率，计算公式为：其中，Rsec表示全双工无线携能中继通信系统的保密传输率，Ptotal是全双工无线携能中继通信系统的总功率，Pr是中继发射功率，Pc为硬件电路功耗，PSIC为自干扰消除功耗，β为中继端的功率有效转换系数，γd和γk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：其中，Ps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，hsr是源节点到中继节点的信道矢量，hrd和hrk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。2CN113726396A权利要求书2/3页4.根据权利要求3所述的全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，其特征是，所述Pr满足如下约束：其中，为中继最大发射功率；所述Pk满足如下约束：其中，ξ表示能量转换效率。5.根据权利要求1所述的全双工无线携能中继通信系统高能效保密传输方法，其特征是，近似凸转换后的波束成形优化问题模型为：ξ(Tr((Ak+Bk)QU)+Tr(CkV))≥ηk，k∈Kβ(Tr(DQU)+Tr(V))+Pc+PSIC≤b/ln2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,为优化过程中间函数变量，且fk(QU,V)＝ln(Tr((Ad+Bd)QU)+Tr(CdV)+1)+ln(Tr(BkQU)+Tr(CkV)+1)；Ai、Bi、Ci、D为便于优化过程表示的信道变换矩阵，且HI表示单位矩阵，表示克罗内克积，Gri,Hsr,Hri为信道矩阵，且Gri＝PHriP,为Hrr的零空间，其中r为HrrH的秩，即r＝Rank(Hrr)，且满足W＝PU,Q＝PVP，其中HQU＝vec(U)vec(U)，U，V为新的辅助变量。6.根据权利要求5所述的全双工无线携能中继通信系