基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，提出将无线携能通信与基于混合预编码的毫米波大规模MIMO‑NOMA系统相结合，分析该系统存在窃听者时的安全能效最大化的功率分配问题。混合预编码方面由数字预编码和模拟预编码组成，在此基础上结合SWIPT形成一个安全能效最大化的优化问题，同时考虑合法用户的总功率限制、用户速率QoS和采集能量QoS的约束以及窃听者信道不确定性。与传统的数字编码系统相比，本发明专利技术提出的功率分配方案安全能效更好。

【技术实现步骤摘要】
基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法
本专利技术属于无线电传输系统
，具体涉及基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法。
技术介绍
目前，5G网络中，毫米波、大规模多输入多输出(MIMO,multipleinputmultipleoutput)和非正交多址接入(NOMA,non-orthogonalmultipleaccess)等技术的应用能够显著提升5G网络的系统容量和数据速率。另外由于高频毫米波较严重的衰减，系统需配备大量的天线和射频链以提高信号的传输距离。但是数量庞大的天线和射频链又会导致巨大的系统功耗，面对这一问题，基于混合预编码的波束成形能够充分利用多天线提供的空间自由度，以牺牲较小的传输速率大幅减少系统射频链的数量，从而提升系统能效。除了混合预编码技术，无线携能通信(SWIPT,SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer)技术在近年也受到广泛关注。接收端通过功率分配器把接收的射频信号转换为信息和能量，延长了电池的使用时间，为未来拥有海量连接设备的物联网(IoT,InternetofThing)提供巨大的节能潜力。但是对于多用户接入的IoT系统，用户间的干扰通常不利于信息解码而有利于能量收集，因此如何有效整合用户间的干扰，平衡信息传输速率和能量收集是多用户系统面临的一大挑战。无线通信开放和广播的传输特性使其数据传输的安全性受到一定威胁。近年来，联合毫米波、SWIPT和NOMA等技术研究如何保证信息安全传输成为热点。但是，目前仅研究如何提高系统安全传输速率，并未考虑系统能效问题。
技术实现思路
有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供了SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，将无线携能通信与基于混合预编码的毫米波大规模MIMO-NOMA系统相结合，分析该系统存在窃听者时的安全能效最大化的功率分配问题。与传统的数字编码系统相比，该功率分配方案安全能效更好。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，包括以下步骤：S1：建立一个存在窃听用户的下行毫米波NOMA系统模型，该系统模型包括K个合法用户和1个窃听用户，基站配置NRF个射频链和NTX根天线，每个合法用户均装配有功率分裂器，功率分裂器将接收射频信号的一部分转化为能量；其中，窃听用户信道添加信道不确定性因素；S2：该系统模型采用混合模拟数字预编码设计，其发射端采用数字预编码，通过采用NOMA技术，每条射频链形成1个波束，每个波束内可以同时服务多个用户，被服务于一个波束内的用户称为一组用户；其中，模拟预编码生成波束方向，数字预编码对不同的组进行编码以减小波束间干扰；S3：假设每个组的合法用户根据信道增益按强弱顺序进行排列，并且第k(k∈{1,…,K})个合法用户被分配在第g个分组中第m个位置，记为合法用户(k)或合法用户(g,m)，则可以得到合法用户(g,m)接收信号为：窃听者信号为：B为波束成形的模拟预编码矩阵，fi表示第i个分组的数字预编码向量，hE为窃听者CSI，其与合法用户具有相同的信道模型，pg,m为合法用户(g,m)发送功率，sg,m表示能量归一化的发送信号，vg,m，vE是信道加性高斯白噪声；S4：考虑窃听者信道不确定性为：其中表示信道模拟预编码后的等效信道信息，ΔhE代表边界为τ的等效信道误差，具体为ΔhE(ΔhE)H≤τ；S5：每个合法用户用功率分裂器把接收的信号分为两部分，一部分用于信息解码，另一部分转化为能量。假设合法用户(g,m)的功率分配因子为χg,m(0＜χg,m≤1)，则解码信号和能量转化信号可表示为：其中，功率分裂器产生的热噪声；S6：假设功率分裂器的能量转化效率为η，则转化的能量可表示为：完成混合预编码设计后，考虑采用物理层安全技术保证信息安全，可以得到系统的保密和速率为：SINRg,m和SINREg,m分别表示合法用户(g,m)和窃听者的信干噪比：S7：最终为了保证安全、绿色的通信，在满足基站发射功率约束、合法用户的数据速率服务质量约束以及能量采集约束的前提下，结合窃听信道的不确定性，优化基站的发射功率，使得系统的安全能效最大化；形成的优化问题可表示为：其中PC表示基站电路功耗，Pmax表示基站发射功率的最大值，Rmin代表合法用户(g,m)的数据速率QoS约束，Pmin代表合法用户(g,m)的能量采集约束。进一步的，所述步骤S7包括以下子步骤：S71：由于优化问题是非凸的无法直接求解，因此根据Dinkelbach算法将目标函数P1等效转换为：当Rsec-θPsum＝0时目标函数存在最优解；S72：式(13)依然无法直接求解，引入辅助变量{tg,m}，{αg,m}和{βg,m}，转换为如下形式针对非凸约束条件:C2转化为C3转化为C5利用βk在定义域内的点对log2(1+βk)项进行一阶泰勒展开可以得到表示βk第i次的迭代值，则C5可重新转换为C6引入新的辅助变量{μg,m}转化为根据舒尔引理可转化为对于约束变量C7，首先将式(3)代入可得其中约束条件C7可转换为S73：式(23)依然为非凸的，引入辅助变量{ψk}，{κk}和{φk}，则式(23)可以分解成如下形式其中S74：对于式(24)，(25)及约束条件C4，应用经典的S-Procedure算法：引理1：定义如下函数fi(x)＝xUixH+2Re{cixH}+bi,i∈{1,2}如果下式成立则一定存在常数η满足根据引理1，将式(24)，C4和式(25)，C4两两合并可得如下凸的线性矩阵不等式约束条件式(26)中项同样可用一阶泰勒展开式，S75：则式(26)可表示为如下凸的形式同理，约束条件式(27)可用舒尔补引理转换为S76：综上所述，式(14)所示的非凸问题转换为如下的半定规划问题式(32)采用凸优化工具箱直接求解。进一步的，所述步骤S2中，模拟预编码生成波束方向的步骤包括以下：A1：模拟预编码矩阵B中的每个元素为M为射频链连接的天线个数，对于全连接系统M＝NTX，子连接系统M＝NTX/NRF，其中B’代表移相器可调节的比特数；A2：当系统中移相器相位控制的实际天线发射角与簇头到天线的发射角夹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS1：建立一个存在窃听用户的下行毫米波NOMA系统模型，该系统模型包括K个合法用户和1个窃听用户，基站配置N

【技术特征摘要】
1.基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立一个存在窃听用户的下行毫米波NOMA系统模型，该系统模型包括K个合法用户和1个窃听用户，基站配置NRF个射频链和NTX根天线，每个合法用户均装配有功率分裂器，功率分裂器将接收射频信号的一部分转化为能量；其中，窃听用户信道添加信道不确定性因素；
S2：该系统模型采用混合模拟数字预编码设计，其发射端采用数字预编码，通过采用NOMA技术，每条射频链形成1个波束，每个波束内可以同时服务多个用户，被服务于一个波束内的用户称为一组用户；其中，模拟预编码生成波束方向，数字预编码对不同的组进行编码以减小波束间干扰；
S3：假设每个组的合法用户根据信道增益按强弱顺序进行排列，并且第k(k∈{1,…,K})个合法用户被分配在第g个分组中第m个位置，记为合法用户(k)或合法用户(g,m)，则可以得到合法用户(g,m)接收信号为：



窃听者信号为：



B为波束成形的模拟预编码矩阵，fi表示第i个分组的数字预编码向量，hE为窃听者CSI，其与合法用户具有相同的信道模型，pg,m为合法用户(g,m)发送功率，sg,m表示能量归一化的发送信号，vg,m，vE是信道加性高斯白噪声；
S4：考虑窃听者信道不确定性为：



其中表示信道模拟预编码后的等效信道信息，ΔhE代表边界为τ的等效信道误差，具体为ΔhE(ΔhE)H≤τ；
S5：每个合法用户用功率分裂器把接收的信号分为两部分，一部分用于信息解码，另一部分转化为能量。假设合法用户(g,m)的功率分配因子为χg,m(0＜χg,m≤1)，则解码信号和能量转化信号可表示为：






其中，功率分裂器产生的热噪声；
S6：假设功率分裂器的能量转化效率为η，则转化的能量可表示为：



完成混合预编码设计后，考虑采用物理层安全技术保证信息安全，可以得到系统的保密和速率为：



SINRg,m和SINREg,m分别表示合法用户(g,m)和窃听者的信干噪比：












S7：最终为了保证安全、绿色的通信，在满足基站发射功率约束、合法用户的数据速率服务质量约束以及能量采集约束的前提下，结合窃听信道的不确定性，优化基站的发射功率，使得系统的安全能效最大化；形成的优化问题可表示为：



其中PC表示基站电路功耗，Pmax表示基站发射功率的最大值，Rmin代表合法用户(g,m)的数据速率QoS约束，Pmin代表合法用户(g,m)的能量采集约束。


2.根据权利要求1所述的基于SWIPT的毫米波NOMA系统安全能效最大化功率分配方法，其特征在于：所述步骤S7包括以下子步骤：
S71：由于优化问题是非凸的无法直接求解，因此根据Dinkelbach算法将目标函数P1等效转换为：



当Rsec-θPsum＝0时目标函数存在最优解；
S72：式(13)依然无法直接求解，引入辅助变量{tg,m}，{αg,m}和{βg,m}，转换为如下形式






C2:Rg,m≥Rmin



C4:ΔhE(ΔhE)H≤τ
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵飞，王毅，张宏亮，尤晓蕾，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：河南;41