基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法先建立基于NOMA的无线携能通信系统，系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的射频信号中获取能量，并会窃听BS发送给IR的信息；根据NOMA技术的原理，BS发送给IR的信息通过叠加编码技术发射信号，表达式如下：

Optimization method of maximum safety rate for wireless portable communication system based on NOMA

The invention discloses a method for optimizing the maximum security rate of a NOMA-based wireless carrier communication system. The method first establishes a NOMA-based wireless carrier communication system, which is deployed with a cell base station BS, M information receivers IR and K energy receivers ER, wherein ER obtains energy from the radio frequency signals emitted by BS, and According to the principle of NOMA technology, the information sent by BS to IR is transmitted by superposition coding technology. The expression is as follows:

【技术实现步骤摘要】
基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法
本专利技术涉及无线传输领域，具体涉及一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法。
技术介绍
随着网络日益增长，设备接入和业务需求越来越大，频谱资源日益匮乏，所需的能耗也大大增加。NOMA(Non-orthogonalMultipleAccess，非正交多址接入)作为一种可以提供更高的频谱效率以及更多接入的技术，从而获得更多的关注，成为了下一代移动通信多址技术的热门候选之一。不同于以往3G的码分接入和4G的正交频分复用，NOMA系统将同样频谱资源分配给多个用户，并通过分配不同的功率来实现功率复用，而信道条件好的用户进行SIC(串行干扰消除)来消除来自其他用户的干扰，从而增加系统的总容量。无线携能通信(SWIPT，SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer)被认为是为能量受限的无线系统供能的一种有效方法。相比传统的风能、太阳能等自然能源，能量接收机可以从周围环境的射频信号中获取能量。在无线网络中采用SWIPT可以有效地避免低能无线电池的频繁充电。另外，设备可以近距离部署在基站周围，使得移动设备可以获取更多能量。由于功率灵敏度对能量接收端和信息接收端的要求不同，能量接收机相较于信息接收机有更好的信道条件，因此能量接收机可以窃听基站传输给信息接收机的信息。但是现有的网络都是单一的NOMA网络或SWIPT网络，无法同时解决接入和能耗的问题以及关于安全性的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，为解决设备接入和能耗的问题，在保障系统用户信息吞吐量和能量获取量的情况下，优化功率分配最大化系统安全速率，提供了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法。本专利技术的目的可以通过如下技术方案实现：基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h1|2≤|h2|2≤...≤|hM|2和0<|g1|2≤|g2|2≤...≤|gK|2，其中|hm|2表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|gk|2表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，am是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，xm是第m个IR的机密信息，σ2是加性高斯白噪声；步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC(串行干扰消除)接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量Ek；步骤3、利用安全信息速率的定义，得出第k个ER窃听第m个IR接收的可达安全信息速率和无线携能通信系统总的可达安全信息速率从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件如下：其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下无线携能通信系统的最大总的可达安全信息速率；公式(2)～(4)为约束函数，公式(2)表示为了保证用户公平性，第m个IR接收到的最小可达信息速率为Qm，公式(3)表示第k个ER接收的最小能量为公式(4)表示分配给每个IR的信号发射功率之和不能大于BS的信号发射总功率P；步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数am，包括以下步骤：(a)、根据约束函数公式(2)，求出能够满足所有IR接收到最小可达信息速率所需要的BS信号发射功率Pmin_ir；(b)、根据约束函数公式(3)，求出能够满足所有ER接收到最小能量所需要的BS信号发射功率Pmin_er；(c)、比较BS的信号发射总功率P与Pmin_ir和Pmin_er的大小；如果P大于Pmin_ir和Pmin_er，则进行步骤(d)；否则，返回0，表示该无线携能通信系统的优化目标函数不存在解，即无线携能通信系统总的可达安全信息速率Rs为0；(d)、最优化的信号发射功率分配系数使得无线携能通信系统在满足IR可达信息速率要求和ER能量获取的情况下，得到最大安全信息速率，按照如下公式求出第m个IR的信号发射功率分配系数am的最优解：本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本专利技术提供的基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，与现有的无线携能网络相比，采用了NOMA技术，在信号传输的过程中不仅可以为能量接收机提供一定的能量，同时功率复用，节省了频谱资源，能够为更多的设备提供接入；并且优化基站的功率分配，在信息速率限制和能量限制的条件下，为信息接收机提供最大的安全传输速率。附图说明图1为本专利技术实施例基站BS总功率P和总安全信息速率的关系示意图。图2为本专利技术实施例最小信息速率Qm和总安全信息速率的关系示意图。图3为本专利技术实施例最小能量获取Emin和总安全信息速率的关系示意图。图4为本专利技术实施例能量接收机数量K和总安全信息速率、总获取能量Total的关系示意图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例：本实施例提供了一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、在所述基于NOMA的无线携能通信系统部署一个单天线小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；本实施例采用的信道模型为大尺度衰落模型，如式所示：其中dm＝80m，表示IR离BS的距离，α＝3表示路径衰落系数，vm～CN(0,1)为瑞利衰落信道增益；其中dk＝80m，表示ER离BS的距离，α＝3表示路径衰落系数，vk～CN(0,1)为瑞利衰落信道增益；上述信道参数相互独立，各元素均为独立同分布的复高斯随机变量；噪声功率σ2＝-70dbm，所有的仿真结果均为50000次随机产生信道实现的平均值。根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h1|2≤|h2|2≤...≤|hM|2和0<|g1|2≤|g2|2≤...≤|gK|2，其中|hm|2表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|gk|2表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，am是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，xm是第m个IR的机密信息，σ2是加性高斯白噪声；步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC(串行干扰消除)接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0<|h1|

【技术特征摘要】
1.一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、假设所述的无线携能通信系统部署有一个小区基站BS，M个信息接收机IR和K个能量接收机ER，其中ER从BS发射出的信号中获取能量，并能够窃听BS发送给IR的机密信息；根据BS获取到的IR和ER的信道增益以升序排列，得到0&lt;|h1|2≤|h2|2≤...≤|hM|2和0&lt;|g1|2≤|g2|2≤...≤|gK|2，其中|hm|2表示BS到第m个IR的信道增益，m＝1、2...M，|gk|2表示BS到第k个ER的信道增益，k＝1、2...K，根据NOMA的原理，BS发送给IR的机密信息通过叠加编码技术发送给IR，则BS发射出的信号表达式如下：式中，am是第m个IR的信号发射功率分配系数，P是BS的信号发射总功率，xm是第m个IR的机密信息，σ2是加性高斯白噪声；步骤2、根据叠加编码技术的原理和BS分配给每个IR的信号发射功率大小来确定SIC接收机的解码顺序，推导出第m个IR接收的可达信息速率和第k个ER窃听第m个IR的可达信息速率并根据BS的信号发射总功率P，计算出第k个ER获得的能量Ek；步骤3、利用安全信息速率的定义，得出在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和无线携能通信系统总的可达安全信息速率Rs，从而得出无线携能通信系统的优化目标函数和约束条件；步骤4、最大化步骤3中得到的无线携能通信系统的优化目标函数，求得目标函数优化变量的最优解，即得到无线携能通信系统中第m个IR的信号发射功率分配系数am。2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大安全速率优化方法，其特征在于，步骤3中，在第k个ER窃听的情况下，第m个IR的可达安全信息速率和系统总的可达安全信息速率Rs的计算公式为：其中3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的无线携能通信系统最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐杰，戴土旺，余钰，罗静慈，冯婉媚，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44