本发明属于安全能效(see)资源管理技术领域，具体是基于同时无线信息和功率传输(swipt)的大规模多输入多输出(mimo)系统最大化最小用户安全能效资源分配方法。
背景技术：
随着移动互联网技术研发的不断加快，无线信息的广播特性使得信息高速率传输的安全性受到严重威胁，物理层安全日益成为研究的重点。目前，5g移动通信主要从网络安全系统架构、组网技术及无线传输技术等方面进行变革，来提升移动安全通信的可达速率和能量效率等问题。
传统的信息安全技术，主要集中在高层，利用密钥对发送端和接收端进行加密及解密。香农指出，当合法发送端和合法接收端共享密钥时，如果共享密钥的熵大于信息熵，那么窃听者将窃取不到保密信息，此时，合法发送端和合法接收端能够进行安全的保密通信。但是，香农模型是建立在无噪信道模型上，和实际不符。之后，wyner将香农模型延伸到有噪信道模型，并指出，当合法发送端的信道存在窃听者窃取信息时，一定存在一种无需借助其他加密技术的信道编码方案使得保密信息安全无误的传输。但是，由于无线信道的开放性，仅仅依赖单一的信道编码方案很难满足5g无线通信需求。根据以上分析，将物理层安全技术作为高层加密技术的补充，利用物理层安全技术来提高系统安全性。
近年来，swipt技术和大规模mimo技术作为通信行业的研究热点。swipt辅助大规模mimo通信是一种随时代发展的绿色能源通信，但swipt技术在同时提供无线数据和无线能量接入的同时可能会被窃听者窃取，为了降低窃听者的窃听能力，需要采用相应的技术来降低窃听者的干扰。从goel等人提出人工噪声(an)辅助通信以来，便得到了广泛认可。因此，在swipt系统中注入an不仅可以对窃听者产生干扰，也可以为接收端提供能量。
针对系统安全性，安全容量和安全能效问题已成为衡量系统性能的有效指标，而系统安全容量和安全能效资源利用率都依赖于资源分配方法的性能。通过阅读大量文献可知，现有文献主要采用系统安全能效资源分配方法和系统安全速率资源分配方法来最大化系统安全能效，忽略了用户处于最坏情况下的安全能效。因此，本发明提出了一种基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法。
技术实现要素：
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法。本发明的技术方案如下：
一种基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法，用于网络资源分配，其包括以下步骤：
步骤1、固定bs发射功率pt和bs功率分配因子更新用户功率分配因子ρk。根据目标函数其中目标函数中的分子表示用户k的保密速率，即用户k的可达安全速率减去窃听者的速率，(·)+＝max{0,·}，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；固定pt和求解用户功率分配因子ρk，迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，e0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示bs到用户端的信息传输阶段，n表示bs天线数，k表示用户数，表示bs到用户的路径损耗，tr表示矩阵的迹，[dk,k]＝βk,k＝{1,...,k}表示完美信道bs到用户的路径损耗，表示不完美信道bs到用户的路径损耗，表示人工噪声，τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，表示bs到窃听者的路径损耗；
步骤2、固定bs发射功率ptt和安全能效λt，更新bs功率分配因子将目标函数转化为其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，其中hk和fk表示辅助函数，pc,k表示电路损耗，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；表示bs功率分配因子，表示用户端功率分配因子,固定ptt和安全能效λt,带入步骤一求出的求解
步骤3、固定bs功率分配因子和安全能效λt，更新bs发送功率ptt，根据目标函数其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，hk和fk表示辅助函数，pc,k表示电路损耗，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；表示bs功率分配因子，表示用户端功率分配因子，固定安全能效λt，代入步骤一得到的步骤二得到的求解ptt；
步骤4、根据步骤一、步骤二和步骤三得到的和ptt，求安全能效λt+1，其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax；
所述安全能效，，其中f1和f2表示辅助函数，ptt表示bs发送功率，表示bs功率分配因子，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，当f1*f2≥0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，为最大安全能效，为最小安全能效。
进一步的，所述用户功率分配因子ρk，k＝1,2,…,k，采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即由于ρk仅和有关，对辅助函数求二阶导可知根据目标函数的约束条件e0≤ek，k＝1,2,…,k，e0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示bs到用户端的信息传输阶段，n表示bs天线数，k表示用户数，分别表示路径损耗，tr表示矩阵的迹，[dk,k]＝βk,k＝{1,...,k}表示完美信道bs到用户的路径损耗，表示不完美信道bs到用户的路径损耗，τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，表示bs到窃听者的路径损耗，表示人工噪声；因此,可求得用户功率分配迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax。
进一步的，所述bs发射功率pt和采用分式规划将目标函数转化为相减的形式，即其中为辅助函数,由于pt和关于辅助函数具有非凸性，因此利用两个凸函数相减(dc)算法进行求解和ptt。根据目标函数其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，其中hk和fk表示辅助函数，pc,k表示电路损耗，表示用户可达速率,表示窃听者可达速率，ptt表示bs发送功率，表示用户k的功率损耗，λ表示用户安全能效，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；表示bs功率分配因子，表示用户端功率分配因子，固定安全能效λt，根据目标函数求解ptt和
进一步的，所述安全能效选择通过二分法进行内部迭代，根据安全能效其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax；所述安全能效其中f1和f2表示辅助函数，ptt表示bs发送功率，表示bs功率分配因子，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，当f1*f2≥0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，为最大安全能效，为最小安全能效。
进一步的，整体方法收敛判决条件为：其中，为设定收敛精度。本发明的优点及有益效果如下：
本发明主要考虑了大规模mimo系统中下行链路安全传输问题。提出了一种基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法。bs处采用功率分配因子合理分配信息传输功率和人工噪声发射功率所占比重，在降低窃听者窃听能力的同时保证保密信息传输的完整性。针对系统保密信息进行分析，获得最优用户功率分配因子、bs发送功率和bs功率分配因子，并最大化最小用户安全能效。由于目标函数具有非凸性，本文采用两个凸函数相减(dc)规划，引入辅助变量将其转化为凸优化问题。
与传统的安全能效资源分配方法相比，该方法考虑了最坏情况下用户安全性能，通过优化用户功率分配因子、bs发送功率和bs功率分配因子来最大化该用户安全能效，且收敛速度快，具有较好的可行性和实用性。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例本发明流程图；
图2为本发明算法收敛情况；
图3为本发明在不同算法下的see曲线图；
图4为本发明在不同算法下的see随窃听者平均传输功率变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本实施案例是基于swipt的大规模mimo系统最大化最小用户安全能效优化方法.
具体实施案列如下：
第一步，固定bs发射功率pt和bs功率分配因子更新用户功率分配因子ρk。根据目标函数其中目标函数中的分子表示用户k的保密速率，即用户k的可达安全速率减去窃听者的速率，(·)+＝max{0,·}，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；固定pt和求解用户功率分配因子ρk，迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，e0为最小能量采集阈值，η表示能量转化效率，(1-τ)表示bs到用户端的信息传输阶段，n表示bs天线数，k表示用户数，表示bs到用户的路径损耗，tr表示矩阵的迹，[dk,k]＝βk,k＝{1,...,k}表示完美信道bs到用户的路径损耗，表示不完美信道bs到用户的路径损耗，表示人工噪声，τ表示导频传输阶段，pk表示用户k平均传输功率，pe表示窃听者平均传输功率，表示bs到窃听者的路径损耗；
第二步，固定bs发射功率ptt和安全能效λt，更新bs功率分配因子将目标函数转化为其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，其中hk和fk表示辅助函数，pc,k表示电路损耗，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；表示bs功率分配因子，表示用户端功率分配因子,固定ptt和安全能效λt,带入第一步求出的求解
第三步，固定bs功率分配因子和安全能效λt，更新bs发送功率ptt，根据目标函数其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax，hk和fk表示辅助函数，pc,k表示电路损耗，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；表示bs功率分配因子，表示用户端功率分配因子，固定安全能效λt，代入第一步得到的第二步得到的求解ptt；
第四步，根据第一步、第二步和第三步得到的和ptt，求安全能效λt+1，其中迭代次数t＝0，最大迭代次数tmax；
所述安全能效，，其中f1和f2表示辅助函数，ptt表示bs发送功率，表示bs功率分配因子，表示用户可达速率，表示窃听者可达速率，表示用户k的功率损耗，ε表示用户k的功率损耗系数，pc,k表示电路损耗，ε(pt(1-ρk)+pk)+pc,k表示用户k安全能效的总功耗；更新准则为：当f1*f2＜0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，当f1*f2≥0，如果m＞ξ，t＝t+1，否则，其中m为中间辅助因子，ξ为二分法门限值，为最大安全能效，为最小安全能效。
所述整体方法收敛判决条件为：其中，为设定收敛精度。
在本实施例中，图2是给出了所提的基于最大化最小用户安全能效优化方法的收敛性；图3是分别采用不同算法验证bs传输功率对安全能效的影响；图4是分别采用增加窃听者平均传输功率时对安全能效的影响。由图2可见：所提实施方法可以快速收敛。由图3可以看出：所提实施方法比最大化用户系统安全能效方法，和安全速率最大化方法可以获得更高的安全能效。由图4可见：所提算法和其余两种对比算法随窃听者平均传输功率增加所体现的性能都一致，结合图3，图4可知所提方法比其余两种方法所体现的性能更好，能够有效地解决大规模mimo系统中安全能效资源分配等相关问题。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。