[发明专利]一种认知无线电网络的资源分配算法

摘要

本发明公开一种具有能量收集功能的认知无线电网络中的安全通信资源分配算法，其模型是一个多用户多输入单输出(MISO)模型，在次用户发送端引入人工噪声和能量信号，次用户接收端能够进行能量收集，既能提高能量转移效率又能保障通信安全。资源分配算法被描述成一个非凸的二次约束二次规划问题，通过半定松弛技术、S‑Procedure定理将其转换成半定规划问题，进行求解。

主权项

1.一种认知无线电网络的资源分配算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、次用户发送端加入人工噪声和能量信号，x＝ws+w_E+v，其中为携带信息的信号，为对应于目的接收端的波束形成向量，为人工噪声，w_E为能量信号；次用户目的接收端SU_Rx、空闲次用户接收端SU_Idle、主用户接收端PU_Rx、窃听用户Eve的接收信号分别为计算出各个节点的接收信噪比，其中，为SU_Tx的发射信号；h_s，g_k，h_p，分别为SU_Tx与SU_Rx、SU_Idle、PU_Rx及Eve之间的信道向量；z_a、z_a,k、z_p和z_e,j分别为次用户目的接收端、空闲次用户接收端、主用户接收端和窃听用户接收端的热噪声，假设他们都是均值为0、方差为的加性高斯白噪声；次用户发送端和第k个空闲次用户接收端之间的信道用下面的式子表示：其中是次用户发送端对与空闲此用户的信道增益的估计值，Δg_k代表空闲次用户接收端由于信道缓慢时变导致的不确定性；定义以下变量：及分别表示次用户目的接收端、主用户接收端、空闲次用户接收端和窃听用户接收端的信道矩阵；次用户发送端和次用户目的接收端的信道容量表示为：其中，ρ表示功率分离比，V＝vv^H且Γ^IC是次用户目的接收端收到的信噪比，是接收端进行信号处理产生的噪声，次用户发送端和第k个空闲次用户接收端的信道容量表示为：其中，ρ_k和分别表示第k个空闲次用户接收端的功率分配比和接受信噪比，是关于ρ_k的单调递增函数，式(5)含义是第k个空闲次用户放弃了能量收集，把接收到的全部功率都用来窃听；次用户发送端和第k个窃听用户间的信道容量表示为：其中，表示当窃听用户位于参考距离时与发送端间的信道增益；和分别是信道矩阵和噪声的归一化；次用户发送端和目的接收端的最大保密容量可以表示为：主用户接收端收到的干扰功率表示为：步骤2、使发送端发射总功率最小化的最优资源分配策略，可以通过求解式(11)得到：在约束条件C1中，Γ_req表示次用户目的接收端能够进行译码的最小接收信噪比，此约束条件保证了次用户发射端和次用户接收端之间的信道容量是C^IC≥log₂(1+Γ_req)；约束条件C2表示对于给定的信道不确定性集Ω_k，第k个空闲次用户接收端(潜在窃听者)的最大信噪比要小于可容许的最大信噪比在约束条件C3中，Γ_tol表示窃听用户成功对次用户发送的信号译码时的信噪比，此约束条件指定了所有被动窃听者的最低中断要求，所有窃听用户中的最大接收信噪比SINR小于最大容许信噪比小于最大容许接收信噪比Γ_tol的概率必须至少为κ，J表示次用户发射端能够处理的最大窃听用户数量；约束条件C4表示次用户发送端的发送信号对主用户接收端造成的干扰要小于一定的门限值γ；约束条件C5和C6中的P_min和分别表示转移到次用户接收端和第k个空闲次用户的最小能量，η表示接收端把收到的无线电信号转换成电能的效率，通过限制天线n的发送功率小于来满足物理限制；令W＝wwH，式(11)变为其中每个天线的发射功率约束C7表示为Tr(Ψ_n(W+V+W_E))，其中是长度为N_T的第n个单位矢量，即进行上述转换后，约束条件C1和C5就变成了关于优化变量{W，V，W_E，ρ}的凸约束；接下来用S‑Procedure定理处理约束C2和C6，将其转化成线性矩阵不等式：把约束条件C2进行转换，存在δk≥0,k∈{1,...,K}其中同样的，把约束条件C6进行转换,存在ν_k≥0,k∈{1,...,K}现在的约束条件C2和C6只涉及有限数量的约束；假设被动窃听者的信道增益上限的归一化，是独立同分布的瑞利随机变量，则有：其中表示的是自由度为2N_T的逆中心卡方随机变量的累计函数的逆函数；用代替C2、C3、C6，将式(12)转化成：其中δ和ν是辅助优化变量δk和νk构成的向量，上述式子中，使用半定松弛忽略非凸的约束条件C10，变成了一个半定规划问题，可以求解，如果求得的最优解W满足Rank(W)＝1，那么它一定是上式的最优解；对W进行特征值分解就能得到w。