一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法

摘要

本发明提供了一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法，首先对双向全双工中继网络的通信过程进行建模，然后考虑在总功率受限的条件下，设计最优化功率分配因子，使安全能量效率最大化，提高功率受限的全双工双向中继网络的安全能量效率。本发明考虑了能量效率，能够在总功率受限的条件下最大化安全能量效率，并尽量保护用户信息免受不可信中继节点的破译。此外，通过泰勒展开式简化了计算过程，且简化操作带来的估计误差不超过6％，可忽略不计。

主权项

一种双向中继网络增加安全能量效率的最优功率分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个具有三个节点的全双工双向中继网络中，第一阶段，中继节点R接收到的信号其中，P_A和P_B分别表示网络中用户A和B的发射功率，h_A‑R和h_B‑R分别为用户A和用户B到中继节点R的信道增益，信道增益是均值为0、方差为σ²的复高斯变量，中继节点R到用户A的信道增益h_R‑A＝h_A‑R，中继节点R到用户B的信道增益h_R‑B＝h_B‑R，n_R表示中继节点R处的加性高斯白噪声；用户A和用户B发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则用户A发送的加密信息功率为αP，用户B发送的功率为(1‑α)P；用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比SNR分别为γ_A‑R＝||h_A‑R||²P/N₀和γ_B‑R＝||h_B‑R||²P/N₀，用户A和用户B到中继节点R的等效信噪比的比值μ＝γ_A‑R/γ_B‑R；令λ＝1/γ_B‑R，则中继节点R处接收用户A发送的数据速率中继节点R处接收用户发送的数据速率步骤二，中继节点R将接收到的信号放大β倍后转发给用户A和B，从中继节点R发送给用户A和B的信号两个阶段均以相同功率P传输信号，将z_R归一化为||z_R||²＝P，得到$\beta =\sqrt{\frac{P}{\alpha P\left|\right|h_{A-R}|{|}^2+(1-\alpha )P|\left|h_{B-R}\right|{|}^2+N_0}};$用户A和B接收到从中继节点R转发的信号分别为：$y_A=\beta \sqrt{\alpha P}{h}_{A-R}{x}_A{h}_{R-A}+\beta \sqrt{(1-\alpha )P}{h}_{B-R}{x}_B{h}_{R-A}+{\mathrm{\beta n}}_T{h}_{R-A}+n_A$$y_B=\beta \sqrt{\alpha P}{h}_{A-R}{x}_A{h}_{R-B}+\beta \sqrt{(1-\alpha )P}{h}_{B-R}{x}_B{h}_{R-B}+{\mathrm{\beta n}}_R{h}_{R-B}+n_B$其中，n_A和n_B是用户A和B接收到的加性高斯白噪声；用户A和B处的瞬时信干噪比SINR分别表示为${\gamma }_A=\frac{{\beta }^2(1-\alpha )P\left|\right|h_{A-R}\left|{|}^2\right|\left|h_{B-R}\right|{|}^2}{{\beta }^2\left|\right|h_{A-R}|{|}^2{N}_0+N_0};$${\gamma }_B=\frac{{\beta }^2\alpha P\left|\right|h_{A-r}\left|{|}^2\right|\left|h_{B-r}\right|{|}^2}{{\beta }^2\left|\right|h_{B-r}|{|}^2{N}_0+N_0};$用户A和B的接收速率分别表示为：$C_A\left(\alpha \right)=\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{(1-\alpha ){\mathrm{\mu \gamma }}_{B-R}}{\alpha (\mu -1)+(\mu +1)+\lambda }\right);$$C_B\left(\alpha \right)=\frac{1}{2}{\log }_2\left(\frac{{\mathrm{\alpha \mu \gamma }}_{B-R}}{\alpha \mu +(2-\alpha )+\lambda }\right);$步骤3，计算用户A和B的总功耗其中，P_CA和P_CB分别表示用户A和B的电路功率，η_A和η_B分别表示用户A和B的功放效率；从用户A到用户B的安全速率C_A‑B(α)＝C_B(α)‑C_A‑R(α)，从用户B到用户A的安全速率C_B‑A(α)＝C_A(α)‑C_B‑R(α)；整个全双工双向中继网络的可达安全速率 C_S(α)＝C_A(α)+C_B(α)‑C_A‑R(α)‑C_B‑R(α)；定义全双工双向中继网络的安全能量效率步骤4，求解g₈α⁸+g₇α⁷+g₆α⁶+g₅α⁵+g₄α⁴+g₃α³+g₂α²+g₁α+g₀＝0的根，其中，$g_8=({\eta }_B-{\eta }_A)\left(2{\lambda }_1^2{\lambda }_2^2{\lambda }_3-4{\lambda }_1{\lambda }_3^4+{\lambda }_1^8\right)$$g_7=({\eta }_B-{\eta }_A)\left(15{\lambda }_1^2{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2+10{\lambda }_1{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2+3{\lambda }_1^2{\lambda }_3^2-5{\lambda }_1^2-{\lambda }_1{\lambda }_2^4{\lambda }_3^2+2{\lambda }_2^4{\lambda }_3^2+7{\lambda }_3^2\right)$$\begin{array}{c}{g}_6=\left({\eta }_B-{\eta }_A\right)=\left(11{\lambda }_1{\lambda }_2{\lambda }_3^2+17{\lambda }_1^2{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2+12{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2\right)+\left(6{\eta }_B-13{\eta }_A\right)\left({\lambda }_1{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2-6{\lambda }_1^2{\lambda }_3\right)\\ +\left(3{\eta }_B-4{\eta }_A\right)\left({\lambda }_1{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2-3{\lambda }_1{\lambda }_2^3\right)-\left(3{\eta }_B-2{\eta }_A\right)\left(3{\lambda }_1^2{\lambda }_2{\lambda }_3^2\right)+{\eta }_A\left({\lambda }_1{\lambda }_2^4{\lambda }_3^2-2{\lambda }_2^4{\lambda }_3\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{g}_3=\left({\eta }_B-{\eta }_A\right)\left(4{\lambda }_1+24{\lambda }_2+3{\lambda }_1{\lambda }_3^2+7{\lambda }_1^4{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2+12{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2\right)-\left({\eta }_B+{\eta }_A\right)\left(2{\lambda }_1^2-{\lambda }_1{\lambda }_2^4{\lambda }_3^2\right)\\ -6{\eta }_B\left({\lambda }_1{\lambda }_2{\lambda }_3^2+3{\lambda }_2^3{\lambda }_3\right)+\left(3{\eta }_B-2{\eta }_A\right){\lambda }_1^2{\lambda }_2-\left(12{\eta }_B-17{\eta }_A\right){\lambda }_1{\lambda }_2^4{\lambda }_3^2\\ +\left(15{\eta }_B-20{\eta }_A\right){\lambda }_2^2{\lambda }_3^2+{\eta }_A\left({\lambda }_1^2{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2+3{\lambda }_1{\lambda }_2^3+4{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2-5{\lambda }_2\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{g}_4=\left({\eta }_B-{\eta }_A\right)\left(14{\lambda }_1{\lambda }_2+8{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2+12{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2\right)+\left(15{\eta }_B-13{\eta }_A\right)\left({\lambda }_1{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2-{\lambda }_2^2{\lambda }_3\right)\\ +\left(3{\eta }_B-4{\eta }_A\right)\left({\lambda }_1^2{\lambda }_2^2-3{\lambda }_1{\lambda }_2^3\right)-\left(3{\eta }_B-2{\eta }_A\right)\left(3{\lambda }_1^2{\lambda }_2+5{\lambda }_1^2{\lambda }_2^3\right)\\ +{\eta }_A\left({\lambda }_1{\lambda }_2^4-2{\lambda }_2^4+{\lambda }_3^2\right)+{\eta }_B\left({\lambda }_1^2{\lambda }_2^2+3{\lambda }_1{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2+4{\lambda }_2^4\right)\end{array}$$\begin{array}{c}{g}_3=({\eta }_B-{\eta }_A)\left(4{\lambda }_1+24{\lambda }_2-4{\lambda }_3\right)-\left({\eta }_B+{\eta }_A\right)2{\lambda }_1^2{\lambda }_3^2-6{\eta }_B\left({\lambda }_1{\lambda }_2{\lambda }_3^2+{\lambda }_2^3\right)\\ +(6{\eta }_B-3{\eta }_A){\lambda }_1^2{\lambda }_2-(12{\eta }_B-17{\eta }_A){\lambda }_1{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2+\left(24{\eta }_B-20{\eta }_A\right){\lambda }_2^2{\lambda }_3^2\end{array}$$\begin{array}{c}{g}_2={\eta }_A(18{\lambda }_1{\lambda }_2+6{\lambda }_1{\lambda }_1^2{\lambda }_3^2+18{\lambda }_2^2{\lambda }_3^2-12{\lambda }_1{\lambda }_3^2-9)+({\eta }_B+3{\eta }_A)2{\lambda }_1^2\\ -(5{\eta }_B+{\eta }_A)2{\lambda }_2^2{\lambda }_3+8{\eta }_B\end{array}$$g_1={\eta }_A(34{\lambda }_1^2{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2-2{\lambda }_1^2{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2)+{\eta }_B(24{\lambda }_1-8{\lambda }_2^3{\lambda }_3^2)$$g_0={\eta }_A(2{\lambda }_1^2{\lambda }_2^2-8{\lambda }_1{\lambda }_3^2+16{\lambda }_1{\lambda }_2^3{\lambda }_3)+{\eta }_B{\lambda }_2^4$ λ₁＝μ‑1 λ₂＝μ+μγ_B‑R‑1 λ₃＝μ‑μγ_B‑R‑1得到最优功率分配因子α_opt，使安全能量效率EE(α)最大。