一种全维度多天线SWIPT系统的物理层安全传输方法与流程

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种全维度多天线swipt系统的物理层安全传输方法。

背景技术：

无线信息和能量同时传输(swipt)作为一个新兴的研究方向，它能够通过射频信号传输数据和能量，避免了无线设备频繁充电和更换电池的困扰，极大地提高了通信质量，延长了通信时间。然而，由于无线信道的开放性和衰落性，如何在信息安全传输和能量传输效率之间保持一个良好的平衡就成为swipt所面临的挑战。大规模天线波束成型技术因其空间分辨率高而被应用到swipt系统中来提高无线通信的安全。全维度多天线波束成形技术在2d基础上增加了垂直维度，有效地避免了强干扰，大幅增加了无线通信系统的传输容量，明显提高无线通信的信息安全。

目前，关于swipt系统物理层安全的研究屡见不鲜。在完美信道状态信息下，相关研究通过联合设计波束成型矢量和功率分配，针对单用户研究了swipt系统的安全速率。而实际系统服务用户不只一个，进一步分析多个合法用户和多个窃听用户共存情况的系统安全。在此基础上，考虑了信道估计误差和有限反馈误差对系统信息安全传输的影响。为了进一步提高系统的安全通信，基站天线数从多根增加到大规模多天线，波束成型技术和人工噪声技术也被引入swipt系统中。现有的文献都是在2d模型中来研究swipt系统的安全，忽略了垂直维度的影响。除此之外，对于能量收集约束条件下的最大化系统安全速率问题的求解，一维搜索法的搜索范围大，计算复杂度较高。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了提高全维度多天线的swipt系统的物理层安全性能，本发明公开了一种全维度多天线swipt系统的物理层安全传输方法，即在全维度多天线的swipt系统中优化安全传输速率的三维波束成形算法，发送功率与接收端功率分流比因子的优化计算方案。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明公开了一种全维度多天线swipt系统的物理层安全传输方法，包括如下步骤：

步骤a，基站根据传输机制的不同，获取用户信道状态信息；

步骤b，基站根据收集的用户信道状态信息，计算能够使得用户获得最大互信息的三维波束成形矩阵；

步骤c，基站在发送功率受限以及用户捕获能量限制的条件下，计算拉格朗日的参数、每个用户的功率分流比和发送给每个用户波束成形的功率；

步骤d，基站将计算出的每个用户的功率分流比传输给对应的用户，以便用户根据功率分流比接受能力和信息；

其中，步骤a具体包括：

a1，当全维度多天线多用户下行信息与能量同时传输系统在频分双工(fdd)模式，基站通过信令信道发送导频序列给的所服务的用户，每个用户估计所对应的信道；以第u个用户为例，基于接收到的导频信号估计出下行信道信息hu，其中包括莱斯因子ku，确定性部分和随机部分hω,u，其中确定性成分其中是垂直维度的确定性分量、是水平维度的确定性分量，其中m为矩形天线阵中行的数量，n为矩形天线阵中列的数量，d^h为行天线间的距离，d^t为列天线间的距离，随机部分hω,u元素为独立同分布的高斯随机变量，其均值为0，方差为1，则当全维度多天线多用户下行信息与能量同时传输系统工作在时分双工(tdd)模式，用户通过上行信道发送导频序列，基站对信道进行估计，得到其中(·)^h代表矩阵的共轭转置；

a2，在fdd模式下，用户通过上行信道将信道估计反馈给信道；tdd模式下，利用信道互易性，上行信道估计获取下行信道状态信息；

其中，步骤b具体包括：

b1，计算具有(m,n)个元素的离散傅立叶变换(dft)矩阵fm和fn，其中m为bs处的行天线数，n为bs处垂直维度天线数；

b2，计算和其中(·)^t、(·)^*、(·)^h分别为对矩阵进行转置、共轭、共轭转置操作；

b3，计算和的最大对角元素的指标，分别为和

b4，计算最大互信息的三维波束成形矢量，其中不同用户的los信道分量是正交的，即对于i≠u，或者代表克罗内克积；

其中，步骤c具体包括：

c1，初始化拉格朗日乘子的上界λmax和下界λmin，其初始化的取值，从(0.5,1)和(0，0.5)中随机选择，其选择的上下界服从均匀分布或者高斯分布，按照收敛性的考虑，符合高斯分布的上下界其收敛性快；

c2，计算拉格朗日算子根据此算子，计算γ1(ηu)和γ2，其中eu为eh接收机要收集的能量阈值；为接收用户u的噪声方差；ku为用户u的莱斯衰落因子；u为基站服务的用户数，其中γ为信干噪比阈值，gl代表窃听用户l的接收波束成形向量，wi为基站给第i个合法用户传输的发送波束成形向量，代表窃听用户处噪声的方差；

c3，判断pu＝γ1(ηu)，则其中而如果pu＝γ2，如果pu＝pt，则如果则其中a2＝λln2(βu1+u)(βu2+u-1)，并且

c4，判断是否成立，若成立，则得到最优的发送功率pu和最优的功率分流比ηu,否则执行步骤c5；

c5，根据总功率约束条件判断：若令λmin＝λ；若令λmax＝λ,重复步骤c2。

(三)有益效果

本发明利用了随机矩阵和非线性优化等理论工具，在全维度天线网络中分析了swipt系统的安全传输速率。通过最大化遍历传输速率获取最优的三维波束成型矢量，推导出收集能量约束条件下的系统安全传输速率。采用拉格朗日松弛优化算法联合优化发射功率和功率分流比，得到最大化系统安全速率的最优解。

附图说明

图1本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，以往针对swipt系统安全的研究主要是在二维信道中进行的，而本发明是基于swipt系统的安全传输速率是在全维度天线网络中分析，即在三维天线网络中分析。申请人发现，拉格朗日松弛优化算法则是一种高效且复杂度低的算法。因此，本发明主要利用用户的信道状态信息以及采用拉格朗日松弛优化算法合优化发射功率和功率分流比来研究，得到最大化系统安全速率的最优解。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所述，本发明实施例提供了一种全维度多天线swipt系统的物理层安全传输方法，包括如下步骤：

步骤a，基站根据传输机制的不同，获取用户信道状态信息；

步骤b，基站根据收集的用户信道状态信息，计算能够使得用户获得最大互信息的三维波束成形矩阵；

步骤c，基站在发送功率受限以及用户捕获能量限制的条件下，计算拉格朗日的参数、每个用户的功率分流比和发送给每个用户波束成形的功率；

步骤d，基站将计算出的每个用户的功率分流比传输给对应的用户，以便用户根据功率分流比接受能力和信息；

其中，步骤a具体包括：

a1，当全维度多天线多用户下行信息与能量同时传输系统在频分双工(fdd)模式，基站通过信令信道发送导频序列给的所服务的用户，每个用户估计所对应的信道；以第u个用户为例，基于接收到的导频信号估计出下行信道信息hu，其中包括莱斯因子ku，确定性部分和随机部分hω,u，其中确定性成分其中是垂直维度的确定性分量、是水平维度的确定性分量，其中m为矩形天线阵中行的数量，n为矩形天线阵中列的数量，d^h为行天线间的距离，d^t为列天线间的距离，随机部分hω,u元素为独立同分布的高斯随机变量，其均值为0，方差为1，则当全维度多天线多用户下行信息与能量同时传输系统工作在时分双工(tdd)模式，用户通过上行信道发送导频序列，基站对信道进行估计，得到其中(·)^h代表矩阵的共轭转置；

a2，在fdd模式下，用户通过上行信道将信道估计反馈给信道；tdd模式下，利用信道互易性，上行信道估计获取下行信道状态信息；

其中，步骤b具体包括：

b1，计算具有(m,n)个元素的离散傅立叶变换(dft)矩阵fm和fn，其中m为bs处的行天线数，n为bs处垂直维度天线数；

b2，计算和其中(·)^t、(·)^*、(·)^h分别为对矩阵进行转置、共轭、共轭转置操作；

b3，计算和的最大对角元素的指标，分别为和

b4，计算最大互信息的三维波束成形矢量，其中不同用户的los信道分量是正交的，即对于i≠u，或者代表克罗内克积；

其中，步骤c具体包括：

c1，初始化拉格朗日乘子的上界λmax和下界λmin，其初始化的取值，从(0.5,1)和(0，0.5)中随机选择，其选择的上下界服从均匀分布或者高斯分布，按照收敛性的考虑，符合高斯分布的上下界其收敛性快；

c2，计算拉格朗日算子根据此算子，计算γ1(ηu)和γ2，其中eu为eh接收机要收集的能量阈值；为接收用户u的噪声方差；ku为用户u的莱斯衰落因子；u为基站服务的用户数，其中γ为信干噪比阈值，gl代表窃听用户l的接收波束成形向量，wi为基站给第i个合法用户传输的发送波束成形向量，代表窃听用户处噪声的方差；

c3，判断pu＝γ1(ηu)，则其中而如果pu＝γ2，如果pu＝pt，则如果则其中a2＝λln2(βu1+u)(βu2+u-1)，并且

c4，判断是否成立，若成立，则得到最优的发送功率pu和最优的功率分流比ηu,否则执行步骤c5；

c5，根据总功率约束条件判断：若令λmin＝λ；若令λmax＝λ,重复步骤c2。

本发明利用了随机矩阵和非线性优化等理论工具，在全维度天线网络中分析了swipt系统的安全传输速率。通过最大化遍历传输速率获取最优的三维波束成型矢量，推导出收集能量约束条件下的系统安全传输速率。采用拉格朗日松弛优化算法联合优化发射功率和功率分流比，得到最大化系统安全速率的最优解。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。