一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，在系统中发射机将透镜天线阵列作为发射阵列，透镜天线阵列将空间信道转变为波束信道，并选择朝向期望用户的较窄的波束，利用波束成形技术将发射信号传输到期望用户，用以增强发送信号的能量，使得期望用户实现安全传输。期望用户利用功率分裂技术将接收到的信号分为信息解码部分和能量获取部分，从而提高系统的能量效率。本发明专利技术所能够在期望用户的方向角处具有极低的误比特率，能够实现安全传输，同时能够让系统能耗降低，提高系统的能量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法。
技术介绍
第五代移动通信系统被认为是一个能够提供超高速连接和更高的数据速率的无线网络，它的出现极大地改变了人们的生活方式。随着第五代无线通信系统的发展，新的无线应用设备的出现对降低硬件性能和系统能耗提出来更高的性能要求。除此之外，无线通信系统的广播性质可能导致隐私消息的泄露。因此，确定安全通信的同时使用最少系统的能耗是无线通信系统的一个重要问题，吸引了越来越多的研究者的注意力。总的来说，目前无线通信中为了实现安全传输最常使用的是物理层安全技术，这可以依赖于透镜天线阵列和波束成形技术实现。在只有相控阵列参与的工作中，相控阵列能够加强发送信号的能量，但不具备选择波束的功能。虽然能够保证通信的安全进行，但是能量消耗问题却不能得到优化。在实际的通信中，发射端产生的能耗较大，因此我们希望当期望用户具有更高的保密性能的同时能够实现更加节能的传输。这对安全节能的精准无线传输系统的研究有着重要的意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，能够增强无线通信的安全性、减少了无线通信的能量消耗，提高了系统的能量效率。本专利技术采用以下方案实现：一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，包括以下步骤：提供一基于透镜天线阵列的无线通信系统，所述系统包括透镜天线阵列、发射机、期望用户以及窃听用户；所述透镜天线阵列和发射机作为系统的发射端，在系统中发射机将透镜天线阵列作为发射阵列，透镜天线阵列将空间信道转变为波束信道，并选择朝向期望用户的较窄的波束，利用波束成形技术将发射信号传输到期望用户，用以增强发送信号的能量，使得期望用户实现安全传输；期望用户在接收到信号之后利用功率分裂技术将接收信号分为信息解码部分和能量获取部分，用以实现信息与能量同时传输；包括以下步骤：步骤S1：根据系统发收信号的数学表达式，构建需要解决的优化问题的模型；步骤S2：通过迭代连续凸逼近算法和Dinkelbach算法求解优化问题的最优解，由于建立的优化问题模型将发射端的波束成形矢量作为优化变量，因此最优解即为发射端的波束成形矢量；优化问题模型的建立是为最大化安全速率与能量消耗的比值，即目标函数SEE(v)的表达式，求解得到最优的波束成形矢量能够在满足约束条件的情况下使安全速率最大并且能量消耗最小，根据安全速率和安全通信距离的数学表达式即得到系统能够实现的最大安全速率和最大安全通信距离。进一步地，所述信息解码和能量获取分别由下述表达式给出：式中，Ltd为发射机与期望用户之间的路径损耗，v为波束成形矢量，vH为波束成形矢量的共轭转置矢量，Pt为发射机的发射功率，α为功率分裂比，为发射机选择的功率最大的子波束向量的共轭转置向量，s为发射机要发送的隐私消息，nd为期望用户信道的加性高斯白噪声，nid为信息解码是加入的加性高斯白噪声，为发射机选择的功率最大的子波束矢量和发射机选择的功率最大的子波束矢量的共轭转置矢量的乘积，σ2为高斯分布的方差。进一步地，步骤S1中所述需要解决的优化问题的模型如下：subjecttovHv＝Ptlog2(1+SNRd)-log2(1+SNRe)≥Rmin式中，v为波束成形矢量，vH为波束成形矢量的共轭转置矢量，Pt为发射机的发射功率，α为功率分裂比，Ltd为发射机与期望用户之间的路径损耗，σ2为高斯分布的方差，为发射机选择的功率最大的子波束矢量和发射机选择的功率最大的子波束矢量的共轭转置矢量的乘积，Emin为期望用户最小获取的能量，SNRd和SNRe分别为期望用户和窃听用户的信噪比，Rmin为最小的安全速率，Rs表示最大化安全速率，Pa表示能量消耗；在上述的优化模型中，第一个约束条件表示对发射机总功率的限制，第二个约束条件表示期望用户获取到的最小能量限制，第三个约束条件表示系统的最小安全速率限制；其中，为发射机与窃听用户的波束信道矢量和发射机与窃听用户的波束信道矢量的共轭转置矢量的乘积；借助期望用户的方向角以及存在的路径损耗信息对发射端的波束成形矢量进行设计，所采用的路径损耗模型表示为：Lxy＝v(dxy)-m式中m为路径损耗指数，c为光速，fc为载波频率，dxy为x与y之间的距离；在建立优化问题的模型时，考虑信号传输过程中的路径损耗，将发射端的波束成形矢量作为优化变量，通过连续凸逼近算法和Dinkelbach算法求解优化问题即可得到最优的波束成形矢量v，使得期望用户能更好的接收相对应的隐私信息，在此基础上得到了系统的安全速率和最大安全传输距离。进一步地，步骤S2中所述解得到系统能够实现的安全速率和最大安全通信距离为：系统的最大安全传输距离dmax为：式中，式中，σ2为高斯分布的方差，α为功率分裂比，Ltd为发射机与期望用户之间的路径损耗，Pt为发射机的发射功率，为发射机选择的功率最大的子波束矢量和发射机选择的功率最大的子波束矢量的共轭转置矢量的乘积，为发射机与窃听用户的波束信道矢量和发射机与窃听用户的波束信道矢量的共轭转置矢量的乘积，为矩阵的迹，为矩阵的迹，V为波束成形矢量和波束成形矢量的共轭转置矢量的乘积，fc为载波频率，c为光速。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术在发射机端采用波束成形技术，使得期望用户接收的信号能够和发射端发射的信号对齐，之后在发射机处应用透镜天线阵列选择朝向期望用户的波束后发射，实现无线安全传输，从而增强系统的安全性。期望用户利用功率分裂技术将接收到的信号分为信息解码部分和能量获取部分，从而提高系统的能量效率。(2)本专利技术能够在期望用户的方向角处具有极低的误比特率，能够实现安全传输，同时能够让系统能耗降低，提高系统的能量效率。附图说明图1为本专利技术实施例的基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的无线传输方案的系统构图。图2为本专利技术实施例的固定发射端的调制规则，基于透镜天线阵列辅助的无线通信系统方案与相控天线阵列辅助的无线通信系统方案在期望用户处接受信号的误比特率与期望用户的空间角度的关系曲线对比图。图3为本专利技术实施例的固定发射天线阵列为透镜天线阵列来辅助无线通信系统，基于不同的透镜天线阵列天线数目的最大安全传输距离与系统安全速率的关系曲线对比图。图4为本专利技术实施例的固定发射机的发射功率，在采用透镜天线阵列辅助无线通信系统的方案下，基于不同的透镜天线阵列天线数目的最高安全能量效率值与最小安全速率的关系曲线对比图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，其特征在于：提供一基于透镜天线阵列的无线通信系统，所述系统包括透镜天线阵列、发射机、期望用户以及窃听用户；所述透镜天线阵列和发射机作为系统的发射端，在系统中发射机将透镜天线阵列作为发射阵列，透镜天线阵列将空间信道转变为波束信道，并选择朝向期望用户的较窄的波束，利用波束成形技术将发射信号传输到期望用户，用以增强发送信号的能量，使得期望用户实现安全传输；期望用户在接收到信号之后利用功率分裂技术将接收信号分为信息解码部分和能量获取部分，用以实现信息与能量同时传输；/n包括以下步骤：/n步骤S1：根据系统发收信号的数学表达式，构建需要解决的优化问题的模型；/n步骤S2：通过迭代连续凸逼近算法和Dinkelbach算法求解优化问题模型的最优解，由于建立的优化问题模型将发射端的波束成形矢量作为优化变量，因此最优解即为发射端的波束成形矢量；优化问题模型的建立是为最大化安全速率与能量消耗的比值，即目标函数SEE(v)的表达式，求解得到最优的波束成形矢量能够在满足约束条件的情况下使安全速率最大并且能量消耗最小，根据安全速率和安全通信距离的数学表达式即得到系统能够实现的最大安全速率和最大安全通信距离。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，其特征在于：提供一基于透镜天线阵列的无线通信系统，所述系统包括透镜天线阵列、发射机、期望用户以及窃听用户；所述透镜天线阵列和发射机作为系统的发射端，在系统中发射机将透镜天线阵列作为发射阵列，透镜天线阵列将空间信道转变为波束信道，并选择朝向期望用户的较窄的波束，利用波束成形技术将发射信号传输到期望用户，用以增强发送信号的能量，使得期望用户实现安全传输；期望用户在接收到信号之后利用功率分裂技术将接收信号分为信息解码部分和能量获取部分，用以实现信息与能量同时传输；
包括以下步骤：
步骤S1：根据系统发收信号的数学表达式，构建需要解决的优化问题的模型；
步骤S2：通过迭代连续凸逼近算法和Dinkelbach算法求解优化问题模型的最优解，由于建立的优化问题模型将发射端的波束成形矢量作为优化变量，因此最优解即为发射端的波束成形矢量；优化问题模型的建立是为最大化安全速率与能量消耗的比值，即目标函数SEE(v)的表达式，求解得到最优的波束成形矢量能够在满足约束条件的情况下使安全速率最大并且能量消耗最小，根据安全速率和安全通信距离的数学表达式即得到系统能够实现的最大安全速率和最大安全通信距离。


2.根据权利要求1所述的一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，其特征在于：
所述信息解码和能量获取分别由下述表达式给出：






式中，Ltd为发射机与期望用户之间的路径损耗，v为波束成形矢量，vH为波束成形矢量的共轭转置矢量，Pt为发射机的发射功率，α为功率分裂比，为发射机选择的功率最大的子波束向量的共轭转置向量，s为发射机要发送的隐私消息，nd为期望用户信道的加性高斯白噪声，nid为信息解码是加入的加性高斯白噪声，为发射机选择的功率最大的子波束矢量和发射机选择的功率最大的子波束矢量的共轭转置矢量的乘积，σ2为高斯分布的方差。


3.根据权利要求1所述的一种基于透镜天线阵列提高无线通信系统安全能量效率的传输方法，其特征在于：步骤S1中所述需要解决的优化问题的模型如下：



subjecttovHv＝Pt



log2(1+SNRd)-log...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡锦松，蒋宛伶，陈由甲，郑海峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35