[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，包括以下步骤：/n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；/n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；/n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；/n所述步骤一中目标优化问题如下：/n /ns.t./nC1:/nC2:/nC3:/nC4:0≤α＜1/n其中，T表示为协作认知无线网络的全过程时间，α为能量收割时间比，w_P为次用户转发主系统波束成形向量，w_S为次系统发送波束成形向量；/nP_P为主用户发送端的平均发送功率，h_PST表示主用户到次用户的信道，N₀为噪声功率，为主用户系统需求速率，为窃听端用户系统限制速率，η为能量转换效率，η∈[0,1]，ψ₀表示次用户初始的能量，依次表示为次用户到窃听端、次用户到第K个窃听端、次用户到接收用户的信道向量h_SS、h_SSk、h_SP的共轭转置，h_PP、h_PS和h_PSk分别表示主用户到接收用户，次系统到接收用户，主系统到第k个窃听点之间的信道向量；K为窃听端个数；/n认知无线网络中主用户发送端为PT、次用户发送端为ST、主用户接收端为PR，次用户接收端SR，PT到PR的传输信道作为主用户系统，ST到PR的传输信道作为次用户系统，PT到ST、PR以及SR之间的传输信道形成主系统，ST到PR、SR之间的传输信道形成次系统，且主系统和次系统的覆盖范围内存在K-1个合法的SR窃听PT和ST的信号；/n所述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是指利用矩阵共轭转置原理将w_S、w_P、h_SS、h_SP进行转换，任取能量收割时间比α，将目标优化问题转换为半定松弛问题：/n /ns.t./nC1:/nC2:/nC3:/n其中，其中Tr(·)表示为矩阵的迹，β_p、为中间变量；/n 均中间变量，和分别为次用户转发主系统波束成形向量的共轭转置，次系统发送波束成形向量的共轭转置；/n采用Charnes-Cooper将所述的半定松弛问题等效转换为凸优化问题：/n /ns.t./nC1:Tr(H_SSW_P)+λN₀＝1/nC2:/nC3:/nC4:/nC5:W_P≥0,W_S≥0,λ≥0/n其中，H_SS、H_SP、W_S及W_P均为中间变量，和λ为松弛变换伸缩因子；/n对于所述的凸优化问题的求解过程如下：/n步骤1)：设置一维搜索精度Δα，同时设定能量收割时间比的初始值；/n步骤2)：对凸优化问题的方程组进行求解，获得局部优化解向量/n步骤3)：如果和则凸优化问题的局部最优解向量为/n否则，凸优化问题的最优解向量为其中和其中，rank表示为矩阵的秩；/n步骤4)：更新搜索值α＝α+Δα，若α≥1，则进入步骤5)，否则，返回步骤2)；/n步骤5)：将所有的局部优化解向量代入凸优化问题，使得凸优化问题对应的次用户系统的传输速率最大时的局部优化解向量及对应的能量收割时间比为全局最优解向量对和进行特征值分解EVD：获得主用户和次用户的最优安全速率/n