一種認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于凸優(yōu)化方法的具有能量收集功能的 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)在保證安全通信前提下的資源分配領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前給移動(dòng)通信設(shè)備供電的電池容量有限，因此，移動(dòng)設(shè)備的壽命仍然是無線通 信業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。具有能量收集功能的通信設(shè)備被認(rèn)為是為能量受限的通信系統(tǒng)提供自 我可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)很有前途的替代。水力、太陽能、風(fēng)力是用于能量收集的主要傳統(tǒng)能 源，然而，這些天然能源的可用性通常會(huì)受到位置或氣候的限制，并且在室內(nèi)環(huán)境中使用也 有困難。另一方面，電磁輻射的射頻（RF)也是一個(gè)可行的能源。更重要的是，無線能量收 集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無線信息和能量同時(shí)轉(zhuǎn)移。然而，這項(xiàng)新技術(shù)也帶來了系統(tǒng)資源分配算法 的新挑戰(zhàn)。事實(shí)上，由于無線介質(zhì)的廣播特性，安全是無線通信系統(tǒng)的一個(gè)基本問題。傳統(tǒng) 上，通信的安全性依賴于在應(yīng)用層加密。然而，常用的加密算法都是基于竊聽用戶計(jì)算能力 有限的假設(shè)。此外，這些算法假設(shè)密鑰分配和管理是完美的，這在無線網(wǎng)絡(luò)中有可能不能實(shí) 現(xiàn)。因此，近年來大量的研宄工作一直致力于信息理論物理（PHY)層安全，作為密碼加密的 一種替代或補(bǔ)充。物理層安全的原則是利用無線衰落信道的物理特性提供完美的保密通 信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于解決認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中多用戶多輸入單輸出（MIS0)的安全通 信資源分配問題。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的資源分配算法具體步驟包括：
[0005] 步驟1、次用戶發(fā)送端加入人工噪聲和能量信號(hào)，x=ws+wE+v，其中SGC為攜 帶信息的信號(hào)，wee"#為對應(yīng)于目的接收端的波束形成向量，為人工噪聲，wE為能量信號(hào)；次用戶目的接收端SUKx、空閑次用戶接收端SUIdle、主用戶接收端PUKx、竊 聽用戶Eve的接收信號(hào)分別為 =hfx+za，JV* =gfx+ ?>;p=hfx+V=1fx+k，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收信噪比，其中，xeCfTyl為SUTX的發(fā)射 信號(hào)出s，gk，hp，1；GC~xl分別為SUT!^SUKx、SUIdle、PUK!^Eve之間的信道向量；za、za，k、 %和z分別為次用戶目的接收端、空閑次用戶接收端、主用戶接收端和竊聽用戶接收端的 熱噪聲，假設(shè)他們都是均值為〇、方差為cd,的加性高斯白噪聲；
[0006] 步驟2、令W=w/，把約束條件中的無限個(gè)約束轉(zhuǎn)換成等效的有限個(gè)約束，最后把 概率約束進(jìn)行等效替換，求得的最優(yōu)解W滿足Rank(W) = 1，對W進(jìn)行特征值分解得到W。
[0007] 次用戶發(fā)送端和第k個(gè)空閑次用戶接受端之間的信道分別表示為：
[0010] 其中是次用戶發(fā)送端對于空閑次用戶的信道增益的估計(jì)值， Agk代表空閑次用戶接收端由于信道緩慢時(shí)變引起的浮動(dòng)值；定義以下變量： 氏，Hp =hphf，GA_ =gA_gf，kG{1，? ? ?，K}及Lj=1^.，jg{1，? ? ?，J};
[0011] (i)次用戶發(fā)送端和次用戶目的接收端的信道容量分別表示為：
[0012] cIC= i〇g2(i+rIC)
[0013]
[0014] 其中，「^是次用戶目的接收端收到的信噪比，<是接收端進(jìn)行信號(hào)處理產(chǎn)生的 噪聲；
[0015] (ii)次用戶發(fā)送端和第k個(gè)空閑次用戶接收端的信道容量表示為：
[0016]
[0017]
[0018] ▽ant '1 ^s
[0019]其中，pk和rf分別表示第k個(gè)空閑次用戶接收端的功率分配比和接受信噪比；[0020] (iii)次用戶發(fā)送端和第k個(gè)竊聽用戶間的信道容量表示為：
[0025]其中，(Iff，If表示當(dāng)竊聽用戶位于參考距離時(shí)與發(fā)送端間的信 道增益，
分別是信道矩陣和噪聲 的歸一化，把g寫成d2。
[0026] 次用戶發(fā)送端和目的接受端的最大保密容量為：
[0027]
[0028] 主用戶接收端收到的干擾功率表示為：
[0029]
[0030] 使發(fā)送端發(fā)射總功率最小化，對變量V，p'w】，VI進(jìn)行優(yōu)化，將
的約束條件轉(zhuǎn)化為有限約束。
[0031] 本發(fā)明采用對人工噪聲和能量信號(hào)的雙重使用，既能提高能量轉(zhuǎn)移效率又能保障 通信安全，被描述成一個(gè)優(yōu)化問題，通過用凸約束代替非凸概率約束，再用半定規(guī)劃（SDP) 來求解，既能提高能量轉(zhuǎn)移效率，又保證了基于物理層的通信安全。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明適用的系統(tǒng)模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0034] 如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)次用戶發(fā)送端SUTx、一個(gè)次用戶目的接收端SUKx、K個(gè) 空閑次用戶接收端SUIdle、一個(gè)主用戶接收端PUKx、J個(gè)竊聽用戶Eve。次用戶發(fā)送端天線數(shù) 為NT，次用戶目的接受端和空閑次用戶接收端都是單天線的，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行譯碼及從接 受信號(hào)中收集能量，竊聽用戶也是單天線的。次用戶發(fā)送端向目的接收端發(fā)送信息并向所 有合法接收端進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。如果K個(gè)空閑次用戶接收端是惡意的，就能夠竊聽到有用信 息，因此，他們應(yīng)該作為潛在竊聽用戶被考慮。
[0035] 步驟一、次用戶發(fā)送端的發(fā)射信號(hào)為：
[0036] x=ws+wE+v (1)
[0037] 其中，sec為攜帶信息的信號(hào)，一般假設(shè)E{Is|2} = 1 為對應(yīng)于目的接 收端的波束形成向量；為發(fā)送端產(chǎn)生的人工噪聲向量，用來干擾潛在的和被動(dòng)的 竊聽者。V服從零均值的高斯分布，即V~CN(0，V)。VGQ~并且V彡0,代表人工噪聲的 協(xié)方差矩陣。人工噪聲對于空閑次用戶接收端和竊聽用戶都是未知的。％是高斯偽隨機(jī)序 列，用來促進(jìn)有效的能量轉(zhuǎn)移，并且對所有的次用戶接受端（目的和空閑）是已知的。WE~ cn(o，we)，其中且wE>〇,代表偽隨機(jī)能量信號(hào)的協(xié)方差矩陣。
[0038] 次用戶目的接收端SUKx、空閑次用戶接收端SUIdle、主用戶接收端PUKx、竊聽用戶 Eve的接收信號(hào)分別為：
[0039] (2)
[0040] ⑶ (4) (5)
[0043]其中，xe 丨為SUTx的發(fā)射信號(hào)；hs，gk，hp，lyGCWtX| 分別為SUT#SUKx、SUIdle、 PUKx&Eve之間的信道向量，包含相應(yīng)信道的多徑衰落、陰影衰落和路徑損耗；za、za，k、％和Zq_分別為次用戶目的接收端、空閑次用戶接收端、主用戶接收端和竊聽用戶接收端的熱噪 聲，為方便起見，假設(shè)他們都是均值為〇、方差為的加性高斯白噪聲。
[0044] 假設(shè)空閑的次用戶接收器的信道信息是不完美的，次用戶發(fā)送端和第k個(gè)空閑次 用戶接受端之間的信道可以用下邊的式子表示：
[0045] (6)
[0046] (7)
[0047] 其中I是次用戶發(fā)送端對與空閑此用戶的信道增益的估計(jì)值，Agk代表空 閑次用戶接收端由于信道緩慢時(shí)變導(dǎo)致的不確定性。為表述簡單，定義一個(gè)集合包含k個(gè)空閑信道所有信道信息的不確定性。
[0048] 次用戶接收端把所接收到的信號(hào)分成兩個(gè)功率流，P部分用于對調(diào)制信息進(jìn)行解 碼，剩下的1-P部分用于對能量進(jìn)行收集。假設(shè)接收機(jī)裝有可用于儲(chǔ)存所收獲的能量的可 再充電電池。所存儲(chǔ)的能量將被保留以供將來使用，以此來延長接收機(jī)的壽命。如果所采 集的能量超過最大電池容量，多余的能量收獲將被丟棄。
[0049]定義以下變量：
}及 1^=1^，_^{1，...，了}。
[0050]由于能量信號(hào)wE對于所有次用戶接收端都是已知的，所以為了提高系統(tǒng)容量在次 用戶接收端使用干擾消除。因此，次用戶發(fā)送端和次用戶目的接收端的信道容量可以表示 為：
[0051] cIC= i〇g2(i+rIC)
r i (8)
[0052]
[0053] 其中，rK是次用戶目的接收端收到的信噪比，由于使用了干擾消除，Tr(HWE)在分 母中被移去了。<是接收端進(jìn)行信號(hào)處理產(chǎn)生的噪聲。同樣的，干擾消除也在空閑次用戶 接收端起作用。次用戶發(fā)送端和第k個(gè)空閑次用戶接收端的信道容量可以表示為：
(()) (10)
[0056]
[0057] 其中，pk和rf分別表示第k個(gè)空閑次用戶接收端的功率分配比和接受信噪比。