[发明专利]一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法，首先以能量收割时间比作为变量，构建认知无线网络中次用户系统的最大化传输速率的目标优化问题；其次，利用矩阵共轭转置原理将目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes‑Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；最后通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解即转发波束成形向量和认知波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。该方法极大的简化了设计过程，且求解方案不仅可以防止窃听用户对保密信息的截获，同时又能实现传输速率的增加，有效的提高了系统的性能。

技术领域

本发明属于通信安全领域，特别涉及一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法。

背景技术

面对日益增长的无线传输需求，频谱资源成为一种稀缺的资源，认知无线网络的出现有效的提升了无线网络的频谱效率。利用次级用户(SU)进行协作传输不仅可以以较少的资源消耗来提升主用户(PU)数据的传输，同时SU也能利用部分主用户的频谱资源来传输自己的信息，从而达到双赢的效果。然而在一些实际应用场景中PU与SU之间的协作通信会受到限制，例如当传感器作为协作中继时，由于电池的容量有限，如果不能提供充电或及时更换电池时，协作传输则会中断。因此，如果中继能够从传输环境中获取能量，那么协作网络的“生命周期”将会极大的延长。为了解决这一问题，利用射频(RF)信号进行能量收割被认作是一种有效的解决方法。目前，将无线能量收割技术与无线通信网络的结合已经得到广泛的关注，正逐步成为无线通信中一个新的热点研究问题。在基于能量收割的无线通信网络中，无线能量收割节点完全由射频信号所携带的能量进行供电，然后该节点利用收割的能量再进行相关操作和数据传输。

由于无线通信在传输信息时的广播特性，用户的信息在传输过程中很容易被窃听。在能量收割的协作通信中，次级用户的发送端(ST)作为协作中继进行利用收割的能量转发PU的信号，因此次用户接收端(SR)有可能窃听PU的信号，从而产生了一系列的信息安全问题。在传统的认知无线网络中，为了保证信息的安全，物理层安全的波束成形已经进行了广泛的研究。近几年，利用中继进行能量收割和提升物理层的安全也得到极大的关注。ZHANG N从可实现安全速率的角度，研究了如何在半双工中继网络中设计和优化安全波束成形和传输功率,(参考文献ZHANG N,LU N,SHEN X X.Cooperative spectrum accesstowards secure information transfer for CRNs[J].IEEE Journal on SelectedAreas in Communications,2013,31(11):2453-2464.)在能量收割的协作认知网络中，考虑到SU可能会窃听PU的信息这一问题，针对协作网络的安全速率设计,目前有学者研究了在单输入单输出(SISO)模式下，针对单个SR和多个SR的情况进行了协作模式的可达安全速率分析。以上对基于能量收割的协作认知网络的分析仅限制在SISO的模式下，且没有考虑如何优化能量收割时间和信息处理时间的分配。

发明内容

本发明提供了一种基于能量收割认知网络的安全波束成形的设计方法，其目的在于克服协作认知无线网络的安全波束成形的通信安全问题。

一种基于能量收割认知无线网络的安全波束成形的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：以能量收割时间比为优化变量，以次用户系统的传输速率最大化为优化目标，构建基于能量收割认知无线网络的安全波束成形设计优化问题，使得主用户系统满足安全通信质量要求且次用户系统发送端的发送功率满足安全通信限制；

步骤二：利用矩阵共轭转置原理将步骤一中所述的目标优化问题转换为半定松弛问题，采用Charnes-Cooper将半定松弛问题等效转换为凸优化问题；

步骤三：通过一维搜索能量收割时间比获得全局最优解，所述全局最优解包括次用户转发主系统波束成形向量和次系统发送波束成形向量，进而求解主用户和次用户的安全速率，完成认知无线网络的安全波束成形的设计。