一种基于自能量回收的CR-NOMA系统安全能效分析方法

本发明涉及一种基于自能量回收的cr-noma系统安全能效分析方法，属于无线通信。

背景技术：

1、随着社会发展进入5g时代，涌现出大量移动智能终端设备与应用程序，因此为了满足移动通信服务的需求，要求无线通信网络需要具有更高效的系统传输速率，使可用频谱得到更有效的利用，同时提供更高的数据速率，增强用户体验。非正交多址接入技术(noma)被认为是一种非常有前途的通信技术，因为它可以显著提高频谱效率，实现海量连接，同时减少通信延迟，具有很好的可扩展性和适应性，可以在不同的场景中得到广泛应用，在提高频谱效率和扩大用户接入数量方面具有巨大潜力。认知无线电(cr)是一种新型的无线通信技术，旨在提高无线电频谱的利用效率，使得频谱更加智能、高效地被利用。将noma技术应用于cr网络中，不仅能够改善频谱效率，而且可以显著提高网络的容量和覆盖范围，同时提高网络的可靠性，提供更高效的无线通信服务，是5g时代有效改进系统性能的重要技术之一。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于自能量回收的cr-noma系统安全能效分析方法，解决上述技术问题，以提高系统安全能效。

2、本发明的技术方案是：一种基于自能量回收的cr-noma系统安全能效分析方法，基于自能量回收的全双工cr-noma系统的安全能效问题，为进一步提高系统能量效率，采用swipt技术对全双工中继节点产生的环路自干扰信号进行自能量回收，并针对多中继节点提出最优中继选择策略，降低系统安全中断概率，提升系统安全性能。在保证用户通信服务质量和能量捕获阈值的前提下，以最大化安全能效为目标函数，联合优化中继功率分配系数和中继节点功率分割因子，最大化系统安全能效。通过分析各个因素对系统性能的影响，从而评估次用户传输系统的安全能效，达到安全通信与能量采集之间的平衡。

3、具体步骤为：

4、step1：构建基于自能量回收的全双工多中继cr-noma系统模型，计算中继节点用于信息解码的接收信号、接收到的能量信号以及自干扰消除后中继节点的接收信号。

5、所述step1具体步骤为：

6、step1.1：构建基于自能量回收的全双工多中继cr-noma系统模型，采用underlay频谱共享模式；所述系统由主网络(pn，primary network)和次网络(sn，secondarynetwork)组成；主网络由一个主用户pu组成；次网络由一个认知基站bs、n个次级中继节点rn(n＝1,2,…,n)、次用户sui(i＝1,2)以及一个窃听用户e组成；

7、step1.2：中继节点用于信息解码的接收信号、接收到的能量信号以及自干扰消除后中继节点的接收信号，分别为：

8、

9、

10、

11、根据noma准则，有a2＜a1，则

12、式中，表示中继节点rn产生的环路自干扰信号且为自干扰信道系数，表示β(0≤β≤1)功率分割因子，表示rn的加性高斯白噪声，nc表示由射频信号转换为基带信号的处理噪声，服从nc～cn(0,σc2)；

13、step2：根据noma协议传输机制获得中继节点解码速率、次用户的解码速率以及非法窃听用户的窃听速率，计算中继节点捕获的总能量值。

14、所述step2具体步骤为：

15、step2.1：中继端接收到的sinr分别表示为：

16、

17、

18、则中继解码速率分别为：

19、

20、

21、step2.2：根据noma解码规则，su1与su2的接收sinr分别为：

22、

23、

24、则次用户su1与su2的解码速率分别为：

25、

26、

27、则次用户接收信号的和速率为：

28、rtot＝r1+r2

29、step2.3：假设则非法用户e窃听用户su1与su2的速率分别为：

30、

31、

32、则窃听用户的和速率为：

33、

34、step2.4：中继节点rn捕获源信号的能量，并对全双工中继节点的环路自干扰信号进行自能量回收，最终捕获的总能量为：

35、step3：针对多中继选择问题，联合考虑次用户信道状态信息和非法窃听用户信道状态信息，提出最优中继选择策略；

36、所述step3具体步骤为：

37、step3.1：将可达安全速率定义为次用户可达速率与窃听用户传输速率之差，因此次用户的可达安全速率分别表示为：

38、

39、

40、step3.2：对于su1与su2，中断事件发生可以分别表示为：

41、

42、

43、ri，i＝1,2，为su1与su2的目标安全速率，系统安全中断概率为：

44、

45、step3.3：给定因此最优中继节点n*表示为

46、step4：构建次用户安全能效目标函数，根据系统安全速率与实际能耗之比，确定次用户安全能效指标；

47、所述step4具体步骤为：

48、step4.1：确定su的安全速率rs＝rtot-re，实际能耗

49、step4.2：确定目标函数满足约束条件：

50、

51、

52、etot≥e

53、b1+b2＝1,0＜b2＜0.5

54、0≤β≤1

55、约束条件1表示用户2处能成功解码用户1的信号，rth表示用户解码最小传输速率；

56、约束条件2表示中继解码过程中满足最小解码速率；

57、约束条件3表示中继节点采集到的能量满足最低能量捕获阈值；

58、约束条件4表示中继功率分配系数取值范围；

59、约束条件5表示中继节点功率分割因子取值范围。

60、step5：将安全能效作为原始问题求最优解，优化中继功率分配系数与中继节点功率分割因子，得到局部最优解；

61、所述step5具体步骤为：

62、step5.1：将其分解为中继功率分配系数和中继节点功率分割因子两个子问题分别进行优化；

63、step5.2：b2仅与安全速率有关，优化问题转化为关于b2的单变量优化问题p1，即：

64、

65、根据约束变换得到0≤b2≤min(ω1/ω2,0.5)，其中利用改进黄金分割算法求解最佳功率分配系数；

66、step5.3：在中继功率分配系数固定的情况下，优化中继功率分割因子β，优化函数p2，即通过安全能效ηsee对β求导可得其中又因为rs＞0，所以可以得到ηsee(β)是关于β的单调递减函数，根据约束项求解得到β的取值范围为max(χ1,χ2)≤β≤χ3；

67、其中：

68、对于给定的b2*，可以得到最佳功率分割系数的闭合最优解β*为β*＝max(χ1,χ2)。

69、step6：采用多目标联合最优安全能效迭代算法得到全局最优解，从而使系统安全能效最大化；

70、所述step6具体步骤为：

71、step6.1：提出基于安全能效的多目标联合迭代算法，对两个子问题的最优值进行联合优化；

72、step6.2：初始化变量和常数项η，ps，rth，r0，e，b2(0)，β(0)，最大迭代次数s，收敛精度τ＞0，ηsee(0)＝-τ，ηsee(-1)＝ηsee(0)-τ；

73、step6.3：当|ηsee(i)-ηsee(i-1)|≥τ；

74、step6.4：i＝i+1；

75、step6.5：计算得到b2(i)；

76、step6.6：计算得到β(i)；

77、step6.7：计算得到ηsee(i)；

78、step6.8：如果i＜s，返回step6.2；

79、step6.9：否则输出最优解

80、本发明的有益效果是：基于自能量回收的全双工多中继cr-noma网络。针对多中继选择提出了最优中继选择策略，采用无线携能通信(swipt)技术捕获源节点的信号能量以及对全双工中继节点产生的环路自干扰信号进行自能量回收。在保证用户通信服务质量与最低能量捕获阈值的前提下，研究了系统安全能效最大化问题。将多目标优化问题分解为中继功率分配系数优化、中继节点功率分割因子优化两个子问题，分别利用改进黄金分割算法、数学函数分析法进行优化，进一步提出多目标联合迭代算法，从而获得原始问题最优解，所提方案可以有效改善系统安全能效，提高频谱利用效率。