一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法，首先对双向全双工中继网络的通信过程进行建模，然后考虑在总功率受限的条件下，设计最优化功率分配因子，使安全能量效率最大化，提高功率受限的全双工双向中继网络的安全能量效率。本发明专利技术考虑了能量效率，能够在总功率受限的条件下最大化安全能量效率，并尽量保护用户信息免受不可信中继节点的破译。此外，通过泰勒展开式简化了计算过程，且简化操作带来的估计误差不超过6％，可忽略不计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双向中继网络合作安全传输的最优功率分配方案。
技术介绍
多跳中继被认定为一种能效传输方案，是解决无线通信安全的最优途径。物理层安全传输的方法具有低计算复杂度和节省资源的优势。近几年来，合作多样性技术由于可以提高物理层防窃听的安全性而吸引了很多学者的注意。在物理层中，用户和干扰源之间存在功率分配的博弈问题。干扰源希望传输具有足够功率的干扰信号来避免窃听者偷听用户的发射信息，而用户也希望传输的信号具有充足的功率保证信号传输的速率。在总功率一定的条件下，如何找到最优的功率分配方案，使安全速率最大化，许多学者已经做出了相应的研究。文献1“XiangHe,AylinYener.Cooperationwithanuntrustedrelay:Asecrecyperspective[J].IEEETrans.Inf.Theory,2010,56(8):3807-3827”提出中继节点是不可信的，它可能会窃听、干扰转发的信息，但是，相比于与不使用该类中继节点，利用不可信的中继节点进行协作通信可以提高系统的安全容量。文献2“LiSun,TaiyiZhang,YuboLiandHaoNiu.Performancestudyoftwo-hopamplify-and-forwardsystemswithuntrustworthyrelaynodes[J].IEEETrans.Veh.Technol.,2012,61(8):3801-3807”通过基于目的地的干扰技术(Destination-basedJamming,DBJ)，获得单个不可信中继的遍历安全容量(ErgodicSecrecyCapacity,ESC)的下界，并将之扩展到多个不可信中继场景，提出一种安全中继选择方案，该方案可最大化可达的系统安全容量，实现不可信放大转发(AmplifyForwaed,AF)中继系统的安全通信。但并没有考虑安全能量效率，而安全能量效率是衡量系统性能的重要指标。文献3“LifengWang,MagedElkashlan,JingHuang,NghiH.Tan,etal.Securetransmissionwithoptimalpowerallocationinuntrustedrelaynetworks[J].IEEECommun.Lett.,2014,3(3):289-292”将文献2的研究扩展两跳放大转发中继网络，并测试大规模天线阵列的影响。当大规模天线阵列在源节点时，ESC仅取决于中继和目的节点间的信道状态信息；当大规模天线阵列在目的节点时，ESC仅取决于中继和源节点间的信道状态信息。不过，文献3仅仅考虑了最大化安全容量，也并没有考虑能量效率。以上文献研究了利用不可信中继节点进行安全通信时系统可达的最大安全容量，但并没有把系统的能量效率这一重要指标考虑进去。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术在文献3的基础上提出一种改进的最优功率分配方案，考虑在总功率受限的条件下，设计最优化功率分配因子，使安全能量效率最大化，提高功率受限的全双工双向中继网络的安全能量效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一，在一个具有三个节点的全双工双向中继网络中，第一阶段，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示网络中用户A和B的发射功率，hA-R和hB-R分别为用户A和用户B到中继节点R的信道增益，信道增益是均值为0、方差为σ2的复高斯变量，中继节点R到用户A的信道增益hR-A＝hA-R，中继节点R到用户B的信道增益hR-B＝hB-R，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；用户A和用户B发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则用户A发送的加密信息功率为αP，用户B发送的功率为(1-α)P；用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比SNR分别为γA-R＝||hA-R||2P/N0和γB-R＝||hB-R||2P/N0，用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比的比值μ＝γA-R/γB-R；令λ＝1/γB-R，则中继节点R处接收用户A发送的数据速率中继节点R处接收用户发送的数据速率步骤二，中继节点R将接收到的信号放大β倍后转发给用户A和B，从中继节点R发送给用户A和B的信号两个阶段均以相同功率P传输信号，将zR归一化为||zR||2＝P，得到β=PαP||hA-R||2+(1-α)P||hB-R||2+N0;]]>用户A和B接收到从中继节点R转发的信号分别为：yA=βαPhA-RxAhR-A+β(1-α)PhB-RxBhR-A+βnrhR-A+nA]]>yB=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhB-RxBhR-B+βnRhR-B+nB]]>其中，nA和nB是用户A和B接收到的加性高斯白噪声；用户A和B处的瞬时信干噪比SINR分别表示为γA=β2(1-α)P||hA-R||2||hB-R||2β2||hA-R||2N0+N0;]]>γB=β2αP||hA-r||2||hB-r||2β2||hB-r||2N0+N0;]]>用户A和B的接收速率分别表示为：CA(α)=12log2((1-α)μγB-Rα(μ-1)+(μ+1)+λ);]]>CB(α)=12log2(αμγB-Rαμ+(2-α)+λ);]]>步骤3，计算用户A和B的总功耗其中，PCA和PCB分别表示用户A和B的电路功率，ηA和ηB分别表示用户A和B的功放效率；从用户A到用户B的安全速率CA-B(α)＝CB(α)-CA-R(α)，从用户B到用户A的安全速率CB-A(α)＝CA(α)-CB-R(α)；整个全双工双向中继网络的可达安全速率CS(α)＝CA(α)+CB(α)-CA-R(α)-CB-R(α)；定义全双工双向中继网络的安全能量效率步骤4，求解g8α8+g7α7+g6α6+g5α5+g4α4+g3α3+g2α2+g1α+g0＝0的根，其中，g8=(ηB-ηA)(2λ12λ22λ3-4λ1λ34+λ18)]]>g7=(ηB-ηA)(15λ12λ23λ32+10λ1λ22λ32+3λ12λ32-5λ12-λ1λ24λ32+2λ24λ32+7λ32)]]>g6=(ηB-ηA)(11λ1λ2λ32+17λ12λ23λ32+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个具有三个节点的全双工双向中继网络中，第一阶段，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示网络中用户A和B的发射功率，hA‑R和hB‑R分别为用户A和用户B到中继节点R的信道增益，信道增益是均值为0、方差为σ2的复高斯变量，中继节点R到用户A的信道增益hR‑A＝hA‑R，中继节点R到用户B的信道增益hR‑B＝hB‑R，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；用户A和用户B发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则用户A发送的加密信息功率为αP，用户B发送的功率为(1‑α)P；用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比SNR分别为γA‑R＝||hA‑R||2P/N0和γB‑R＝||hB‑R||2P/N0，用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比的比值μ＝γA‑R/γB‑R；令λ＝1/γB‑R，则中继节点R处接收用户A发送的数据速率中继节点R处接收用户发送的数据速率步骤二，中继节点R将接收到的信号放大β倍后转发给用户A和B，从中继节点R发送给用户A和B的信号两个阶段均以相同功率P传输信号，将zR归一化为||zR||2＝P，得到β=PαP||hA-R||2+(1-α)P||hB-R||2+N0;]]>用户A和B接收到从中继节点R转发的信号分别为：yA=βαPhA-RxAhR-A+β(1-α)PhB-RxBhR-A+βnThR-A+nA]]>yB=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhB-RxBhR-B+βnRhR-B+nB]]>其中，nA和nB是用户A和B接收到的加性高斯白噪声；用户A和B处的瞬时信干噪比SINR分别表示为γA=β2(1-α)P||hA-R||2||hB-R||2β2||hA-R||2N0+N0;]]>γB=β2αP||hA-r||2||hB-r||2β2||hB-r||2N0+N0;]]>用户A和B的接收速率分别表示为：CA(α)=12log2((1-α)μγB-Rα(μ-1)+(μ+1)+λ);]]>CB(α)=12log2(αμγB-Rαμ+(2-α)+λ);]]>步骤3，计算用户A和B的总功耗其中，PCA和PCB分别表示用户A和B的电路功率，ηA和ηB分别表示用户A和B的功放效率；从用户A到用户B的安全速率CA‑B(α)＝CB(α)‑CA‑R(α)，从用户B到用户A的安全速率CB‑A(α)＝CA(α)‑CB‑R(α)；整个全双工双向中继网络的可达安全速率 CS(α)＝CA(α)+CB(α)‑CA‑R(α)‑CB‑R(α)；定义全双工双向中继网络的安全能量效率步骤4，求解g8α8+g7α7+g6α6+g5α5+g4α4+g3α3+g2α2+g1α+g0＝0的根，其中，g8=(ηB-ηA)(2λ12λ22λ3-4λ1λ34+λ18)]]>g7=(ηB-ηA)(15λ12λ23λ32+10λ1λ22λ32+3λ12λ32-5λ12-λ1λ24λ32+2λ24λ32+7λ32)]]>g6=(ηB-ηA)=(11λ1λ2λ32+17λ12λ23λ32+12λ22λ32)+(6ηB-13ηA)(λ1λ22λ32-6λ12λ3)+(3ηB-4ηA)(λ1λ22λ32-3λ1λ23)-(3ηB-2ηA)(3λ12λ2λ32)+ηA(λ1λ24λ32-2λ24λ3)]]>g3=(ηB-...

【技术特征摘要】
1.一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个具有三个节点的全双工双向中继网络中，第一阶段，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示网络中用户A和B的发射功率，hA-R和hB-R分别为用户A和用户B到中继节点R的信道增益，信道增益是均值为0、方差为σ2的复高斯变量，中继节点R到用户A的信道增益hR-A＝hA-R，中继节点R到用户B的信道增益hR-B＝hB-R，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；用户A和用户B发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则用户A发送的加密信息功率为αP，用户B发送的功率为(1-α)P；用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比SNR分别为γA-R＝||hA-R||2P/N0和γB-R＝||hB-R||2P/N0，用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比的比值μ＝γA-R/γB-R；令λ＝1/γB-R，则中继节点R处接收用户A发送的数据速率中继节点R处接收用户发送的数据速率步骤二，中继节点R将接收到的信号放大β倍后转发给用户A和B，从中继节点R发送给用户A和B的信号两个阶段均以相同功率P传输信号，将zR归一化为||zR||2＝P，得到β=PαP||hA-R||2+(1-α)P||hB-R||2+N0;]]>用户A和B接收到从中继节点R转发的信号分别为：yA=βαPhA-RxAhR-A+β(1-α)PhB-RxBhR-A+βnThR-A+nA]]>yB=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhB-RxBhR-B+βnRhR-B+nB]]>其中，nA和nB是用户A和B接收到的加性高斯白噪声；用户A和B处的瞬时信干噪比SINR分别表示为γA=β2(1-α)P||hA-R||2||hB-R||2β2||hA-R||2N0+N0;]]>γB=β2αP||hA-r||2||hB-r||2β2||hB-r||2N0+N0;]]>用户A和B的接收速率分别表示为：CA(α)=12log2((1-α)μγB-Rα(μ-1)+(μ+1)+λ);]]>CB(α)=12log2(αμγB-Rαμ+(2-α)+λ);]]>步骤3，计算用户A和B的总功耗其中，PCA和PCB分别表示用户A和B的电路功率，ηA和ηB分别表示用户A和B的功放效率；从用户A到用户B的安全速率CA-B(α)＝CB(α)-CA-R(α)，从用户B到用户A的安全速率CB-A(α)＝CA(α)-CB-R(α)；整个全双工双向中继网络的可达安全速率CS(α)＝CA(α)+CB(α)-CA-R(α)-CB-R(α)；定义全双工双向中继网络的安全能量效率步骤4，求解g8α8+g7α7+g6α6+g5α5+g4α4+g3α3+g2α2+g1α+g0＝0的根，其中，g8=(ηB-ηA)(2λ12λ22λ3-4λ1λ34+λ18)]]>g7=(ηB-ηA)(15λ12λ23λ32+10λ1λ22λ32+3λ12λ32-5λ12-λ1λ24λ32+2λ24λ32+7λ32)]]>g6=(ηB-ηA)=(11λ1λ2λ32+17λ12λ23λ32+12λ22λ32)+(6ηB-13ηA)(λ1λ22λ32-6&lamb...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚如贵，高岩，徐菲，徐娟，王伶，张兆林，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61