一种认知无线电网络的资源分配算法

一种认知无线电网络的资源分配算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于凸优化方法的具有能量收集功能的 认知无线电网络在保证安全通信前提下的资源分配领域。
【背景技术】
[0002] 目前给移动通信设备供电的电池容量有限，因此，移动设备的寿命仍然是无线通 信业务发展的瓶颈。具有能量收集功能的通信设备被认为是为能量受限的通信系统提供自 我可持续发展的一个很有前途的替代。水力、太阳能、风力是用于能量收集的主要传统能 源，然而，这些天然能源的可用性通常会受到位置或气候的限制，并且在室内环境中使用也 有困难。另一方面，电磁辐射的射频（RF)也是一个可行的能源。更重要的是，无线能量收 集技术可以实现无线信息和能量同时转移。然而，这项新技术也带来了系统资源分配算法 的新挑战。事实上，由于无线介质的广播特性，安全是无线通信系统的一个基本问题。传统 上，通信的安全性依赖于在应用层加密。然而，常用的加密算法都是基于窃听用户计算能力 有限的假设。此外，这些算法假设密钥分配和管理是完美的，这在无线网络中有可能不能实 现。因此，近年来大量的研宄工作一直致力于信息理论物理（PHY)层安全，作为密码加密的 一种替代或补充。物理层安全的原则是利用无线衰落信道的物理特性提供完美的保密通 信。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于解决认知无线电网络中多用户多输入单输出（MIS0)的安全通 信资源分配问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明认知无线电网络的资源分配算法具体步骤包括：
[0005] 步骤1、次用户发送端加入人工噪声和能量信号，x=ws+wE+v，其中SGC为携 带信息的信号，wee"#为对应于目的接收端的波束形成向量，为人工噪声，wE为能量信号；次用户目的接收端SUKx、空闲次用户接收端SUIdle、主用户接收端PUKx、窃 听用户Eve的接收信号分别为 =hfx+za，JV* =gfx+ ?>;p=hfx+V=1fx+k，计算出各个节点的接收信噪比，其中，xeCfTyl为SUTX的发射 信号出s，gk，hp，1；GC~xl分别为SUT!^SUKx、SUIdle、PUK!^Eve之间的信道向量；za、za，k、 %和z分别为次用户目的接收端、空闲次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的 热噪声，假设他们都是均值为〇、方差为cd,的加性高斯白噪声；
[0006] 步骤2、令W=w/，把约束条件中的无限个约束转换成等效的有限个约束，最后把 概率约束进行等效替换，求得的最优解W满足Rank(W) = 1，对W进行特征值分解得到W。
[0007] 次用户发送端和第k个空闲次用户接受端之间的信道分别表示为：
[0010] 其中是次用户发送端对于空闲次用户的信道增益的估计值， Agk代表空闲次用户接收端由于信道缓慢时变引起的浮动值；定义以下变量： 氏，Hp =hphf，GA_ =gA_gf，kG{1，? ? ?，K}及Lj=1^.，jg{1，? ? ?，J};
[0011] (i)次用户发送端和次用户目的接收端的信道容量分别表示为：
[0012] cIC= i〇g2(i+rIC)
[0013]
[0014] 其中，「^是次用户目的接收端收到的信噪比，<是接收端进行信号处理产生的 噪声；
[0015] (ii)次用户发送端和第k个空闲次用户接收端的信道容量表示为：
[0016]
[0017]
[0018] ▽ant '1 ^s
[0019]其中，pk和rf分别表示第k个空闲次用户接收端的功率分配比和接受信噪比；[0020] (iii)次用户发送端和第k个窃听用户间的信道容量表示为：
[0025]其中，(Iff，If表示当窃听用户位于参考距离时与发送端间的信 道增益，
分别是信道矩阵和噪声 的归一化，把g写成d2。
[0026] 次用户发送端和目的接受端的最大保密容量为：
[0027]
[0028] 主用户接收端收到的干扰功率表示为：
[0029]
[0030] 使发送端发射总功率最小化，对变量V，p'w】，VI进行优化，将
的约束条件转化为有限约束。
[0031] 本发明采用对人工噪声和能量信号的双重使用，既能提高能量转移效率又能保障 通信安全，被描述成一个优化问题，通过用凸约束代替非凸概率约束，再用半定规划（SDP) 来求解，既能提高能量转移效率，又保证了基于物理层的通信安全。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明适用的系统模型图。
【具体实施方式】
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0034] 如图1所示，网络中包括一个次用户发送端SUTx、一个次用户目的接收端SUKx、K个 空闲次用户接收端SUIdle、一个主用户接收端PUKx、J个窃听用户Eve。次用户发送端天线数 为NT，次用户目的接受端和空闲次用户接收端都是单天线的，能够对信息进行译码及从接 受信号中收集能量，窃听用户也是单天线的。次用户发送端向目的接收端发送信息并向所 有合法接收端进行能量转移。如果K个空闲次用户接收端是恶意的，就能够窃听到有用信 息，因此，他们应该作为潜在窃听用户被考虑。
[0035] 步骤一、次用户发送端的发射信号为：
[0036] x=ws+wE+v (1)
[0037] 其中，sec为携带信息的信号，一般假设E{Is|2} = 1 为对应于目的接 收端的波束形成向量；为发送端产生的人工噪声向量，用来干扰潜在的和被动的 窃听者。V服从零均值的高斯分布，即V~CN(0，V)。VGQ~并且V彡0,代表人工噪声的 协方差矩阵。人工噪声对于空闲次用户接收端和窃听用户都是未知的。％是高斯伪随机序 列，用来促进有效的能量转移，并且对所有的次用户接受端（目的和空闲）是已知的。WE~ cn(o，we)，其中且wE>〇,代表伪随机能量信号的协方差矩阵。
[0038] 次用户目的接收端SUKx、空闲次用户接收端SUIdle、主用户接收端PUKx、窃听用户 Eve的接收信号分别为：
[0039] (2)
[0040] ⑶ (4) (5)
[0043]其中，xe 丨为SUTx的发射信号；hs，gk，hp，lyGCWtX| 分别为SUT#SUKx、SUIdle、 PUKx&Eve之间的信道向量，包含相应信道的多径衰落、阴影衰落和路径损耗；za、za，k、％和Zq_分别为次用户目的接收端、空闲次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的热噪 声，为方便起见，假设他们都是均值为〇、方差为的加性高斯白噪声。
[0044] 假设空闲的次用户接收器的信道信息是不完美的，次用户发送端和第k个空闲次 用户接受端之间的信道可以用下边的式子表示：
[0045] (6)
[0046] (7)
[0047] 其中I是次用户发送端对与空闲此用户的信道增益的估计值，Agk代表空 闲次用户接收端由于信道缓慢时变导致的不确定性。为表述简单，定义一个集合包含k个空闲信道所有信道信息的不确定性。
[0048] 次用户接收端把所接收到的信号分成两个功率流，P部分用于对调制信息进行解 码，剩下的1-P部分用于对能量进行收集。假设接收机装有可用于储存所收获的能量的可 再充电电池。所存储的能量将被保留以供将来使用，以此来延长接收机的寿命。如果所采 集的能量超过最大电池容量，多余的能量收获将被丢弃。
[0049]定义以下变量：
}及 1^=1^，_^{1，...，了}。
[0050]由于能量信号wE对于所有次用户接收端都是已知的，所以为了提高系统容量在次 用户接收端使用干扰消除。因此，次用户发送端和次用户目的接收端的信道容量可以表示 为：
[0051] cIC= i〇g2(i+rIC)
r i (8)
[0052]
[0053] 其中，rK是次用户目的接收端收到的信噪比，由于使用了干扰消除，Tr(HWE)在分 母中被移去了。<是接收端进行信号处理产生的噪声。同样的，干扰消除也在空闲次用户 接收端起作用。次用户发送端和第k个空闲次用户接收端的信道容量可以表示为：
(()) (10)
[0056]
[0057] 其中，pk和rf分别表示第k个空闲次用户接收端的功率分配比和接受信噪比。 rf是关于pk的单调递增函数，所以（a)处成立。式（10)含义是第k个空闲次用户放弃了 能量收集，把接收到的全部功率都用来窃听。
[0058] 次用户发送端和第k个窃听用户间的信道容量可以表示为：
[0063] 其中，ff=1^(1^广，If表示的是当窃听用户位于参考距离时与发送端间 的信道增益。由于式（12)中的信噪比是关于Lj的单调递增函数并且II1^IHI1,II，（b)处的 不等式成立。b=i,lf=lif/E{||lp|2}和< =(〇i丨|2}分别是信道矩阵和 噪声的归一化。由于￡{丨丨〇丨2}=￡{||1^|2}=...=￡{||17|丨2丨，不失一般性把6写成夕。由于能 量序列仅对合法接收者是已知的。在被动窃听者接收端无法执行干扰消除以除去Tr(LjWE)。 [0064] 次用户发送端和目的接受端的最大保密容量可以表示为：
[0065]
(14)
[0066] 主用户接受端收到的干扰功率表示为：
[0067]
(15)
[0068] 使发送端发射总功率最小化的最优资源分配策略，{V，P'W】，'V?}，可以通过求 解一下式子得到：

[0079] 在Cl中，rMq表示的是次用户目的接收端能够进行译码的最小接收信噪比，此 约束条件保证了次用户发射端和次用户接收端之间的信道容量是c ie> i〇g2(i+rMQ)。 约束条件C2表示对于给定的信道不确定性集Q k，第k个空闲次用户接收端（潜在窃 听者）的最大信噪比要小于可容许的最大信噪比rtoli。实际中，要使>〇:才 能保证次用户的安全通信。在约束条件C3中，rt()1表示的是窃听用户成功对次用户 发送的信号译码时的信噪比。此约束条件指定了所有被动窃听者的最低中断要求。所 有窃听用户中的最大接收信噪比sinr小于最大容许信噪比小于最大容许接收信噪 比rtol的概率必须至少为k。举个例子，如果k= 〇.99, r _彡r ，并且系统中 不存在空闲次用户接受端，那么约束条件C1和C3就共同保证了系统的保密容量以
为下限的概率是 0. 99。此外，次用户发射端并不知道窃听者的数量J，C3中的J表示的是次用户发射端能够 处理的最大窃听用户数量。没有最大化系统的保密容量的原因是，这样不一定能够使电力 资源的进行最有效的配置。约束条件C4表示的是，次用户发送端的发送信号对主用户接收 端造成的干扰要小于一定的门限值y。约束条件C5和C6中的P midP 分别表示转移到 次用户接收端和第k个空闲次用户的最小能量，n表示的是接受端把收到的无线电信号转 换成电能的效率。每一个天线发射的功率由每个功率放大器的最大发射功率的进行限制， 在C7中，通过限制天线n的发送功率小于来满足种物理限制。
[0080] 步骤二、求解优化问题
[0081] (17)的优化问题是一个非凸的二次约束二次规划。为了得到一个有效的资源分 配算法，首先把上述优化问题重写成一个半定规划来避免C1和C5的非凸性；然后，把C2和 C6的无数个约束转换成等效的有限个约束；接着用一个易处理的凸约束来代替C3。替换约 束条件后的新问题就成为了原始问题的性能下限。最后使用半定松弛来得到获得最优资源 分配方案。
[0082]令 W =wwH，式（16)变为：
[0083]

[0093] CIO: Rank (ff) = 1.
[0094] 其中w匕0，W G Q"T和Rank(W) = 1是为了保证优化W后W = wwH能成立。式（15) 中的每个天线的发射功率约束C7可以表示为Tr (Wn(W+V+WE))，其中，e" eM"TXl 是长度为NT的第n个单位矢量，g卩[e,,],,」=l,[eJM =0,V/：>#"，/ie {l，...，％b进行上述转换 后，约束Cl和C5就变成了关于优化变量{W，V，WE，P }的凸约束。接下来用S-Procedure 定理处理约束C2和C6,将其转化成线性矩阵不等式。
[0095] 根据定理S-Procedure，把约束条件C2进行转换，存在5k彡〇, k G {1，???，K}
[0096]
[0097] 其中=[I"T 。同样的，把约束条件06进行转换，存在vk彡0,kG{1，? ? ?，K}
[0098]
[0099] 现在的约束条件C2和C6只涉及有限数量的约束。
[0100] 假设被动窃听者的信道增益上限的归一化，丨丨，是独立同分布的瑞利 随机变量，则有：
[0101]
[0102] 其中(1<(0表示的是自由度为2N T的逆中心卡方随机变量的累计函数的逆函数。
[0103]用已、5、G代替 C2、C3、C6,将（4-17)转化成：
[0104]
[0105] s. t. Cl, C4, C5, C7, C8, C9
[0111]其中S和v是辅助优化变量Sk和v k构成的向量。上述式子中，使用半定松弛 忽略非凸的约束条件C10,就变成了一个半定规划问题，可以求解。如果求得的最优解W满 足Rank(W) =1，那么它一定是上式的最优解。对W进行特征值分解就能得到W。
【主权项】
1. 一种认知无线电网络的资源分配算法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、次用户发送端加入人工噪声和能量信号，X = ws+wE+v，其中seC为携带 信息的信号，WeCvd为对应于目的接收端的波束形成向量，veC~yl为人工噪声， We为能量信号；次用户目的接收端SU Kx、空闲次用户接收端SUldle、主用户接收端PUkx、 窃听用户 Eve 的接收彳目号分别为 h =hfx + zu，=gA x + z(;Jl， Vlre A =<χ + \，=Ι?χ + ζ^，计算出各个节点的接收信噪比，其中，xeC^i为SUtx的发射 信号；hs，gk，hp，I, GCivIyl 分别为 SUtA SU Kx、SUIdle、PUkj^ Eve 之间的信道向量；z a、za，k、Zp 和Zq分别为次用户目的接收端、空闲次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的热 噪声，假设他们都是均值为〇、方差为的加性高斯白噪声； 步骤2、令W = w/，把约束条件中的无限个约束转换成等效的有限个约束，最后把概率 约束进行等效替换，求得的最优解W满足Rank(W) = 1，对W进行特征值分解得到w。2. 根据权利要求1所述的认知无线电网络的资源分配算法，其特征在于，次用户发送 端和第k个空闲次用户接受端之间的信道分别表示为：其中I eC"#是次用户发送端对于空闲次用户的信道增益的估计值，Agk代表空闲 次用户接收端由于信道缓慢时变引起的浮动值；定义以下变量=\hf，Hp =hphf， = g,.gf> d·:Κ}及Lj = IJ:￥: jep:---:J} (i) 次用户发送端和次用户目的接收端的信道容量分别表示为： Cic= Iog2 (l+rIC)其中，Γκ是次用户目的接收端收到的信噪比，< 是接收端进行信号处理产生的噪 声； (ii) 次用户发送端和第k个空闲次用户接收端的信道容量表示为：其中，Pk和rf分别表示第k个空闲次用户接收端的功率分配比和接受信噪比； (iii) 次用户发送端和第k个窃听用户间的信道容量表示为：其中，If Iif =Ifdff，表示当窃听用户位于参考距离时与发送端间的信道增 益，I7 =I7If =Iif/E{||lf |丨2}和6 =(σ·1,+€)/Ε{||Ρ II2}分别是信道矩阵和噪声的归 一化，把6写成<?2; 次用户发送端和目的接受端的最大保密容量为：主用户接收端收到的干扰功率表示为：3.根据权利要求1所述的认知无线电网络的资源分配算法，其特征在于，使发送端发 射总功率最小化，对变量丨^,/；^；^进行优化，〉约束条件转化为有限约束。
【专利摘要】本发明公开一种具有能量收集功能的认知无线电网络中的安全通信资源分配算法，其模型是一个多用户多输入单输出(MISO)模型，在次用户发送端引入人工噪声和能量信号，次用户接收端能够进行能量收集，既能提高能量转移效率又能保障通信安全。资源分配算法被描述成一个非凸的二次约束二次规划问题，通过半定松弛技术、S-Procedure定理将其转换成半定规划问题，进行求解。
【IPC分类】H04W72/04
【公开号】CN104883741
【申请号】CN201510167096
【发明人】王保云, 王彤彤
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月9日