[发明专利]一种多天线全双工认知无线电能量捕获与信息传输方法

权利要求书

1.多天线全双工认知无线电能量捕获与信息传输方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：

步骤A，本发明主要考虑的是多天线全双工认知无线电能量捕获系统，根据传输机制确定其传输系统模型，并计算各个节点的接收信号。

步骤B，根据认知用户和中继能量接收器的接收信号计算对应的传输速率。

步骤C，根据认知用户和中继能量接收器处的传输速率，确定系统认知用户物理层安全指标。

步骤D，将用户物理层安全指标变为等式最优问题进行求解，并通过优化发射协方差波束成形、接收端功率分割比、功率分配系数和发射波束成形矢量得到最优系统物理层安全传输速率。

步骤E，通过联合优化算法以得到系统物理层安全传输速率的最优解。

其中，步骤A具体包括：

A1，构建多天线全双工认知无线电能量捕获系统模型，该模型中包含一个主用户(PU)，一个认知基站(CBS)，多个次用户(CU_m)，一个中继(S)。主用户通过中继分别与认知基站和认知用户进行信息传输，进行信息传输的过程中采用NOMA的传输方式。

A2，对步骤A1的系统模型，中继与认知基站的发射功率可由此式得出h_cp和h_sp分别表示基站到主用户的信道和中继到主用户的信道，I_th为主用户受到的干扰等级，P_s为中继的发射功率，Q₀为认知基站发射信号x的协方差，tr(g)为矩阵求迹运算，||g||²代表矩阵二阶矩的平方。

A3，对步骤A1的系统模型，在利用功率域的情况下，得到第m个认知用户接收到的信号为中继接收到的信号为γ_m是功率分配系数，H_m是中继到用户的传输信道，s_m是认知基站发给第m个认知用户的信号，n_D是基带加性高斯白噪声，w_m是中继处的发射波束矢量，ρ₀代表中继处的功率分割比，H₀是认知基站到中继的传输信道，n_s1和n_s2分别为高斯噪声和线路上的噪声，n_s1:CN(0,Iσ²)，n_s2:CN(0,Iσ²)，σ²是方差，I是单位矩阵。

其中，步骤B具体包括：

B1，通过步骤A1和A3的功率分割策略，可以得到中继处能量获得公式为η为能量转换效率，H_e为中继天线之间的环回信道。

B2，由步骤B1得到的功率分配策略，再通过串行干扰删除对信道状态最好的认知用户的信号进行解码，因此可以由下列式子确定出信道状态最好的认知用户的传输速率且中继处的传输速率为M为认知用户数，μ是功率分割比。

B3，由于中继能量接收端成功解码所需信息的概率高，同比类推可得能量接收器的传输速率

其中，步骤C具体包括：

C1，根据信道状态最好的认知用户和中继处能量接收器的传输速率确定此用户的物理层安全传输速率为

C2，根据C1得到的物理层安全传输速率公式，以及步骤A1的系统模型所建立的参量Q₀，ρ₀，γ_m，w_m所确定物理层安全传输速率最大化所对应的最优解。

C3，由于整个系统为物理层安全传输速率最大化也受到其他条件的制约，其约束条件具体E_s≥E_min，时，其中E_min为最低能量捕获的阈值，当m＝1时，功率分配系数γ_m的和为1。

其中，步骤D具体包括：

D1，由于物理层安全传输速率最优问题考虑的因素比较多，对此将其转为等式最优问题进行求解。通过优化发射协方差以得到物理层安全性的局部最优解，首先利用注水算法将发射信号最优协方差系统能耗建立函数关系可以得到其中，V_p是H₀的右奇异向量，Γ＝diag(p₁,L,p_t)，diag(g)代表对角矩阵，其中i＝1,…,t，v表示功率注水算法的平均注水功率。

D2，通过优化功率分割比以得到物理层安全传输速率的局部最优解，首先根据解码转发协议和限制可以确定出最优功率分割比为

D3，优化功率分配系数，首先通过对数性质找到功率分配系数γ_m与物理层安全传输速率R_sec关系，其中和c＝log₂[(ρ₀+μ)σ²]。

D4，最终推出功率分配系数γ_m最优解为

D5，优化发射波束形成矢量，首先在给定功率分配系数的情况下，利用半定松弛算法得到w_m与的函数关系式，其中为函数式为由于它的一个约束条件使其是非凸问题，故对它的约束条件进行变换后，再利用遗传算法算出的最优解。

其中，步骤E具体包括：

E1，为了最大化用户物理层安全传输速率，需分别对发射协方差Q₀、功率分割比ρ₀、功率分配系数γ_m和发射波束形成矢量w_m进行联合优化，首先初始化w_m，令其中ξ为公差。

E2，计算最优的功率分割比率ρ₀和传输信号协方差Q₀。

E3，最后根据已经得到的ρ₀、Q₀、不断迭代更新物理层安全传输速率，从而获得物理层安全传输速率的最大值。