一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法，首先以能量收割时间比作为变量，构建认知无线网络中次用户系统的最大化传输速率的目标优化问题；其次，利用矩阵共轭转置原理将目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes‑Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；最后通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解即转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。该方法极大的简化了设计过程，且求解方案不仅可以防止窃听用户对保密信息的截获，同时又能实现传输速率的增加，有效的提高了系统的性能。

Design method of secure beamforming based on energy harvesting cognitive network

The invention discloses a design method of beam energy harvesting cognitive network security based on energy forming, the first harvest time as variables, objective optimization problem to maximize the transmission rate of secondary users in cognitive radio networks system; secondly, using the principle of matrix conjugate transpose optimization problem for semi definite relaxation conversion problem. The Charnes Cooper will semidefinite relaxation problem equivalent to convex optimization problems; finally through one-dimensional search energy harvesting than to obtain the global optimal solution is forwarding the beamforming vector and cognitive beamforming vector, thus solving the safety rate of primary users and secondary users, to complete the design of beam safety of cognitive wireless network forming. This method greatly simplifies the design process, and the solution can not only prevent eavesdropping users from intercepting confidential information, but also increase the transmission rate, and effectively improve the performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法
本专利技术属于通信安全领域，特别涉及一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法。
技术介绍
面对日益增长的无线传输需求，频谱资源成为一种稀缺的资源，认知无线网络的出现有效的提升了无线网络的频谱效率。利用次级用户(SU)进行协作传输不仅可以以较少的资源消耗来提升主用户(PU)数据的传输，同时SU也能利用部分主用户的频谱资源来传输自己的信息，从而达到双赢的效果。然而在一些实际应用场景中PU与SU之间的协作通信会受到限制，例如当传感器作为协作中继时，由于电池的容量有限，如果不能提供充电或及时更换电池时，协作传输则会中断。因此，如果中继能够从传输环境中获取能量，那么协作网络的“生命周期”将会极大的延长。为了解决这一问题，利用射频(RF)信号进行能量收割被认作是一种有效的解决方法。目前，将无线能量收割技术与无线通信网络的结合已经得到广泛的关注，正逐步成为无线通信中一个新的热点研究问题。在基于能量收割的无线通信网络中，无线能量收割节点完全由射频信号所携带的能量进行供电，然后该节点利用收割的能量再进行相关操作和数据传输。由于无线通信在传输信息时的广播特性，用户的信息在传输过程中很容易被窃听。在能量收割的协作通信中，次级用户的发送端(ST)作为协作中继进行利用收割的能量转发PU的信号，因此次用户接收端(SR)有可能窃听PU的信号，从而产生了一系列的信息安全问题。在传统的认知无线网络中，为了保证信息的安全，物理层安全的波束成形已经进行了广泛的研究。近几年，利用中继进行能量收割和提升物理层的安全也得到极大的关注。ZHANGN从可实现安全速率的角度，研究了如何在半双工中继网络中设计和优化安全波束成形和传输功率,(参考文献ZHANGN,LUN,SHENXX.CooperativespectrumaccesstowardssecureinformationtransferforCRNs[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2013,31(11):2453-2464.)在能量收割的协作认知网络中，考虑到SU可能会窃听PU的信息这一问题，针对协作网络的安全速率设计,目前有学者研究了在单输入单输出(SISO)模式下，针对单个SR和多个SR的情况进行了协作模式的可达安全速率分析。以上对基于能量收割的协作认知网络的分析仅限制在SISO的模式下，且没有考虑如何优化能量收割时间和信息处理时间的分配。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法，其目的在于克服协作认知无线网络的安全波束成形的通信安全问题。一种基于能量收割认知无线网络的安全波束成形的设计方法，包括以下步骤：步骤一：以能量收割时间比为优化变量，以次用户系统的传输速率最大化为优化目标，构建基于能量收割认知无线网络的安全波束成形设计优化问题，使得主用户系统满足安全通信质量要求且次用户系统发送端的发送功率满足安全通信限制；步骤二：利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes-Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；步骤三：通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解，所述全局最优解包括转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。进一步地，所述步骤一中目标优化问题如下：s.t.C4:0≤α<1其中，T表示为协作认知无线网络的全过程时间，α为能量收割时间比，wP为次用户转发主系统波束成形向量，wS为次系统发送波束成形向量；PP为主用户发送端的平均发送功率，hPST表示主用户到次用户的信道，N0为噪声功率，为主用户系统需求速率，为窃听端用户系统限制速率，η为能量转换效率，η∈[0,1]，ψ0表示次用户初始的能量，依次表示为次用户到窃听端、次用户到第K个窃听端、次用户到接收用户的信道向量hSS、hSP的共轭转置，hPP、hPS和分别表示主用户到接收用户，次系统到接收用户，主系统到第k个窃听点之间的信道向量；nPR、和分别表示主用户接收端、第一个窃听点和第k个窃听点处的加性高斯白噪声，K为窃听端个数；认知无线网络中主用户发送端为PT、次用户发送端为ST、主用户接收端为PR，次用户接收端为SR，PT到PR的传输信道作为主用户系统，ST到PR的传输信道作为次用户系统，PT到ST、PR以及SR之间的传输信道形成主系统，ST到PR、SR之间的传输信道形成次系统，且主系统和次系统的覆盖范围内存在K-1个合法的SR窃听PT和ST的信号。进一步地，所述利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题是指利用矩阵共轭转置原理将wS、wP、hSS、hSP进行转换，任取能量收割时间比α，将目标优化问题转换为半定松弛问题：s.t.其中，βp、为中间变量，其中Tr(i)表示为矩阵的迹；均中间变量，和分别为次用户转发主系统波束成形向量的共轭转置，次系统发送波束成形向量的共轭转置。进一步地，采用Charnes-Cooper将所述的半定松弛问题等效转换为凸优化问题：s.t.C1:Tr(HSSWP)+λN0＝1C5:WP≥0,WS≥0,λ≥0其中，HSS、HSP、WS及WP均为中间变量，和λ为松弛变换伸缩因子。进一步地，对于所述的凸优化问题的求解过程如下：步骤1)：设置一维搜索精度Δα，同时设定能量收割时间比的初始值；能量收割时间比的初始值依据实际应用需求设定，取值范围为0-1，取值越小，搜索的范围越大。步骤2)：对凸优化问题的方程组进行求解，获得局部优化解向量步骤3)：如果和则凸优化问题的局部最优解向量为否则，凸优化问题的最优解向量为其中和其中，rank表示为矩阵的秩；步骤4)：更新搜索值α＝α+Δα，若α≥1，则进入步骤5)，否则，返回步骤2)；步骤5)：将所有的局部优化解向量代入凸优化问题，使得凸优化问题对应的次用户系统的传输速率最大时的局部优化解向量及对应的能量收割时间比为全局最优解向量对和进行特征值分解EVD：获得主用户和次用户的最优安全速率有益效果本专利技术提供了一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法，首先以能量收割时间比作为变量，构建认知无线网络中次用户系统的最大传输速率的目标优化问题，且使得目标优化问题满足主用户系统的安全通信质量和次系统发送端的发送功率满足次系统安全通信质量；其次，利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes-Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；最后通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解即转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。通过将求解认知无线网络中次用户系统最大传输速率的非凸优化问题通过两次转换后，化解为凸优化问题求解，极大的简化了设计过程，同时，所提出的求解方案不仅可以防止窃听用户对保密信息的截获，同时又能实现传输速率的增加，有效的提高了系统的性能。附图说明图1为本专利技术所述的一种基于能量收割认知网络中安全波束成形设计方法流程图；图2为系统模型；图3为窃听节点数对次用户系统的安全速率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量收割认知无线网络的安全波束成形的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：以能量收割时间比为优化变量，以次用户系统的传输速率最大化为优化目标，构建基于能量收割认知无线网络的安全波束成形设计优化问题，使得主用户系统满足安全通信质量要求且次用户系统发送端的发送功率满足安全通信限制；步骤二：利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes‑Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；步骤三：通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解，所述全局最优解包括转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。

【技术特征摘要】
1.一种基于能量收割认知无线网络的安全波束成形的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：以能量收割时间比为优化变量，以次用户系统的传输速率最大化为优化目标，构建基于能量收割认知无线网络的安全波束成形设计优化问题，使得主用户系统满足安全通信质量要求且次用户系统发送端的发送功率满足安全通信限制；步骤二：利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes-Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；步骤三：通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解，所述全局最优解包括转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中目标优化问题如下：s.t.C4:0≤α<1其中，T表示为协作认知无线网络的全过程时间，α为能量收割时间比，wP为次用户转发主系统波束成形向量，wS为次系统发送波束成形向量；PP为主用户发送端的平均发送功率，hPST表示主用户到次用户的信道，N0为噪声功率，为主用户系统需求速率，为窃听端用户系统限制速率，η为能量转换效率，η∈[0,1]，ψ0表示次用户初始的能量，依次表示为次用户到窃听端、次用户到第K个窃听端、次用户到接收用户的信道向量hSS、hSP的共轭转置，hPP、hPS和分别表示主用户到接收用户，次系统到接收用户，主系统到第k个窃听点之间的信道向量；nPR、和分别表示主用户接收端，第一个窃听点和第k个窃听点处的加性高斯白噪声，K为窃听端个数；认知无线网络中主用户发送端为PT、次用户发送端为ST、主用户接收端为PR，次用户接收端SR，PT到PR的传输信道作为主用户系统，ST到PR的传输信道作为次用户系统，PT到ST、PR以及SR之间的传输信道形成主系统，ST到PR...

【专利技术属性】
技术研发人员：董健，石振弘，唐锟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43