一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，旨在解决现有技术中系统安全性和能效性难以平衡的技术问题。其包括：利用预先建立的全双工中继系统的安全能效模型，构建基于自干扰迫零的安全能效最大化问题；利用连续凸近似和惩罚函数联合方法，将安全能效最大化问题转换为凸近似问题；利用迭代优化算法获得凸近似问题的最优解，使得全双工中继系统的安全能效最优。本发明专利技术能够实现全双工中继系统安全能效的最大化，达到系统安全性和能效性的最佳折中。全性和能效性的最佳折中。全性和能效性的最佳折中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法


[0001]本专利技术涉及一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，属于全双工中继通信


技术介绍

[0002]全双工技术因其可同时同频收发信号，能显著提高通信系统频谱效率，近年来已成为5G通信领域的研究热点。将全双工技术应用于中继通信系统可在提升数据传输频谱效率的基础上，进一步扩展系统的通信覆盖区域。然而，无线信道的广播特性使得信息传输存在着潜在的窃听威胁，与此同时，5G系统数据传输的高功耗及电力价格的不断增长也对全双工中继通信系统的能效性提出了更高的要求。目前，针对全双工中继通信系统的安全能效性的研究较少，难以达到系统安全和能效的平衡，不利于全双工中继通信的发展。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中系统安全性和能效性难以平衡的问题，本专利技术提出了一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，能够实现全双工中继系统安全能效的最大化，达到系统安全性和能效性的最佳折中。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术手段：
[0005]本专利技术提出了一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，包括如下步骤：
[0006]利用预先建立的全双工中继系统的安全能效模型，构建基于自干扰迫零的安全能效最大化问题；
[0007]利用连续凸近似和惩罚函数联合方法，将安全能效最大化问题转换为凸近似问题；
[0008]利用迭代优化算法获得凸近似问题的最优解，使得全双工中继系统的安全能效最优。
[0009]结合第一方面，进一步的，所述全双工中继系统的安全能效模型的表达式如下：
[0010][0011]其中，η
SEE
表示全双工中继系统的安全能效，R
sec
表示全双工中继系统的安全容量，P
total
表示全双工中继系统的总功耗，R
d
表示全双工中继系统中目的节点的可达速率，R
k
表示全双工中继系统中第k个窃听节点的可达速率，ζ
r
表示全双工中继系统的中继的功率损耗系数，P
r
表示全双工中继系统的中继的发送功率，P
sta
表示全双工中继系统的硬件功率消耗，k＝1,2,
…
,K，K为全双工中继系统中窃听节点的数量。
[0012]进一步的，当中继采用放大转发协议，R
d
的表达式如下：
[0013][0014]其中，P
s
表示全双工中继系统中源节点的发送功率，h
rd
表示全双工中继系统中中继到目的节点的信道矢量，W为中继波束赋形矩阵，h
sr
表示全双工中继系统中源节点到中继的信道矢量，表示中继的噪声方差，表示目的节点的噪声方差。
[0015]进一步的，设全双工中继系统中的窃听节点同时接收源节点和中继的发送信号，则R
k
的表达式如下：
[0016][0017]其中，h
sk
表示全双工中继系统中源节点到第k个窃听节点的信道矢量，表示第k个窃听节点的噪声方差，h
rk
表示全双工中继系统中中继到第k个窃听节点的信道矢量。
[0018]进一步的，P
r
满足如下约束：
[0019][0020]其中，表示中继的发送功率上限。
[0021]进一步的，基于自干扰迫零的安全能效最大化问题的表达式如下：
[0022][0023]其中，W为中继波束赋形矩阵，表示中继的发送功率上限，H
rr
W＝0为全双工中继系统的自干扰迫零约束，H
rr
为中继自干扰信道。
[0024]进一步的，设中继波束赋形矩阵W＝PU，其中，P为中继自干扰信道H
rr
的零空间，且H
rr
P＝0，U为人工引入的新的波束赋形矩阵；利用连续凸近似和惩罚函数联合方法，将安全能效最大化问题转换为凸近似问题，具体表达式如下：
[0025][0026]其中，Q
U
＝vec(U)vec(U)
H
，vec(A)为矩阵A的列向量化，a,b,c,d,s
k
为辅助变量，ρ为惩罚系数，tr()为矩阵求迹运算，分别为Q
U
,a,c,d,s
k
对应的初始可行解，表示的最大特征值，表示对应的特征矢量，f(Q
U
)＝log2(tr((A
d
+B
d
)Q
U
)+1)，)+1)，)+1)，表示M
r
维的单位矩阵，M
r
为中继的接收天线数量，G
rd
＝P
H
H
rd
P，P，G
rk
＝P
H
H
rk
P，P，表示M
t
‑
θ维的单位矩阵，M
t
为中继的发送天线数量，θ为H
rr
的秩，αβ∈{sr,rd,rk}，表示中继的发送功率上限。
[0027]进一步的，利用迭代优化算法获得凸近似问题的最优解的方法为：
[0028](1)设置全双工中继系统的系统参数和凸近似问题的初始可行解；
[0029](2)令迭代次数i＝i+1，基于系统参数和初始可行解，利用凸近似问题获得当前迭代阶段的可行解a
i
,c
i
,d
i
和
[0030](3)根据当前迭代阶段的可行解，利用凸近似问题的目标函数计算目标函数值：
[0031][0032]其中，obj
i
表示第i个迭代阶段的凸近似问题的目标函数值；
[0033](4)利用预先设置的收敛精度ε比较当前迭代阶段与上一个迭代阶段的目标函数值的差值，当|obj
i
‑
obj
i
‑1|＞ε时，重复步骤(2)～(4)，否则将当前阶段的可行解作为凸近似问题的最优解。
[0034]采用以上技术手段后可以获得以下优势：
[0035]本专利技术提出了一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，通过提出系统安全能效的定义，为系统物理层安全性能和能量效率的综合评估提供了定量分析指标；建立基于自干扰迫零的安全能效最大化问题，并联合连续凸近似和惩罚函数方法，实现
基于自干扰迫零的安全能效最大化问题的凸转换，并给出了有效收敛的迭代优化算法，能够准确计算出使安全能效最大的解。本专利技术可以实现全双工中继系统安全能效的最大化，达到系统安全性和能效性的最佳平衡，与现有技术相比，本专利技术的安全能效更高，系统稳定性更好，可以有效应对窃听，适用于能量受限的全双工中继系统的保密传输，有利于全双工中继通信的进一步发展。
附图说明
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，包括如下步骤：利用预先建立的全双工中继系统的安全能效模型，构建基于自干扰迫零的安全能效最大化问题；利用连续凸近似和惩罚函数联合方法，将安全能效最大化问题转换为凸近似问题；利用迭代优化算法获得凸近似问题的最优解，使得全双工中继系统的安全能效最优。2.根据权利要求1所述的一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，所述全双工中继系统的安全能效模型的表达式如下：其中，η
SEE
表示全双工中继系统的安全能效，R
sec
表示全双工中继系统的安全容量，P
total
表示全双工中继系统的总功耗，R
d
表示全双工中继系统中目的节点的可达速率，R
k
表示全双工中继系统中第k个窃听节点的可达速率，ζ
r
表示全双工中继系统的中继的功率损耗系数，P
r
表示全双工中继系统的中继的发送功率，P
sta
表示全双工中继系统的硬件功率消耗，k＝1,2,
…
,K，K为全双工中继系统中窃听节点的数量。3.根据权利要求2所述的一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，当中继采用放大转发协议，R
d
的表达式如下：其中，P
s
表示全双工中继系统中源节点的发送功率，h
rd
表示全双工中继系统中中继到目的节点的信道矢量，W为中继波束赋形矩阵，h
sr
表示全双工中继系统中源节点到中继的信道矢量，表示中继的噪声方差，表示目的节点的噪声方差。4.根据权利要求3所述的一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，设全双工中继系统中的窃听节点同时接收源节点和中继的发送信号，则R
k
的表达式如下：其中，h
sk
表示全双工中继系统中源节点到第k个窃听节点的信道矢量，表示第k个窃听节点的噪声方差，h
rk
表示全双工中继系统中中继到第k个窃听节点的信道矢量。5.根据权利要求3所述的一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，P
r
满足如下约束：
其中，表示中继的发送功率上限。6.根据权利要求1或2所述的一种基于自干扰迫零的全双工中继系统安全能效优化方法，其特征在于，基于自干扰迫零的安全能效最大化问题的表达式如下：征在于，基于自干扰迫零的安全能效最大化问题的表达式如下：H
rr
W＝0其中，W为中继波束赋形矩阵，表示中继的发送功率上限，H
rr
W＝0为全双工中继系统的自干扰迫零约束，H
rr
为中继自干扰信道。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳键，陈玉婷，朱佳，贾丽燕，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：