用于绿色认知无线电安全能效最佳功率的分配方法

摘要

本发明公开了一种用于绿色认知无线电安全能效最佳功率的分配方法，其主要解决了现有技术无法保证安全能效最大化问题。其实现步骤是：设置功率分配参数；初始化功率分配参数；计算最佳发送功率的真实值；计算的拉格朗日乘子；计算最佳发送功率的迭代真实值；计算拉格朗日乘子迭代误差；判断拉格朗日乘子是否满足终止条件；计算安全能效函数；计算次级用户安全能效；判断是否满足终止条件；得到次级用户安全能效最佳发送功率和次级用户最大安全能效。本发明具有可应用于绿色认知无线电网络中实现安全能效最大化的功率分配，所需迭代次数少，适用于各种衰落信道，易于实现的优点。

主权项

一种用于绿色认知无线电安全能效最佳功率的分配方法，包括如下步骤：(1)设置功率分配参数：(1a)设置容错误差ζ，其取值范围为(0,1)；(1b)设置次级用户安全能效的最大迭代次数N，其取值为所选用计算设备的容许计数范围内大于10的正整数；(2)初始化功率分配参数：(2a)将次级用户安全能效的迭代次数初始化为1；(2b)将subgradient迭代算法的迭代次数初始化为1；(3)计算次级用户安全能效最佳发送功率的真实值：(3a)按照下式，计算功率比值系数：$a_0=\left\{\begin{array}{cc}({\mu }^0{g}_{sp}+{\lambda }^0)ln2& n=1\\ ({\eta }^{n-1}\beta +{\mu }^0{g}_{sp}+{\lambda }^0)ln2& n\ge 2\end{array}\right.$其中，a₀表示初始化的功率比值系数，μ⁰表示初始化的平均干扰功率约束对应的拉格朗日乘子，其值为0.1，λ⁰表示初始化的平均发送功率约束对应的拉格朗日乘子，其值为0.1，g_sp表示次级用户发送端到主用户接收端信道功率增益，η^n‑1表示次级用户第n‑1次迭代时次级用户安全能效，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，β表示次级用户发送机的功率放大因子，ln2表示2的自然对数；(3b)按照下式，计算次级用户发送端到接收端的功率增益比例系数：${\gamma }_{sr}=\frac{g_{sr}}{{\sigma }_r^2}$其中，γ_sr表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，g_sr表示次级用户发送端s到接收端r的信道功率增益，表示次级用户接收端r受到主用户干扰和加性噪声之和的噪声方差；(3c)按照下式，计算次级用户发送端到监听用户接收端的功率增益比例系数：${\gamma }_{se}=\frac{g_{se}}{{\sigma }_e^2}$其中，γ_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，g_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的信道功率增益，表示监听用户接收端e受到主用户干扰和加性噪声之和的噪声方差；(3d)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值：$F_0^n=\frac{\sqrt{{\left(a_0\right({\gamma }_{sr}+{\gamma }_{se}\left)\right)}^2+4a_0{\gamma }_{sr}{\gamma }_{se}({\gamma }_{sr}-{\gamma }_{se}-a_0)}-a_0({\gamma }_{sr}+{\gamma }_{se})}{2a_0{\gamma }_{sr}{\gamma }_{se}}$其中，表示第n次迭代的次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，a₀表示初始化的功率比值系数，γ_sr表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，γ_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，表示平方根操作；(3e)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的真实值：$P_0^n=\frac{F_0^n+\left|F_0^n\right|}{2}$其中，表示第n次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的真实值，表示第n次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的模糊值，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，|·|表示绝对值操作；(4)计算拉格朗日乘子：利用subgradient迭代算法，计算平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子μ^k和平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子λ^k；(5)计算次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值：(5a)按照下式，计算功率比值系数：$a_k=\left\{\begin{array}{cc}({\mu }^k{g}_{sp}+{\lambda }^k)ln2& n=1\\ ({\eta }^{n-1}\beta +{\mu }^k{g}_{sp}+{\lambda }^k)ln2& n\ge 2\end{array}\right.$其中，a_k表示第k次迭代时功率比值系数，μ^k表示使用subgradient迭代算法第k次迭代时平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子，λ^k表示使用subgradient迭代算法第k次迭代时平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子，k表示subgradient迭代算法的迭代次数，k＝1,2,3,....,K，K表示所选用计算设备的容许计数范围内的最大正整数，g_sp表示次级用户发送端到主用户接收端信道功率增益，η^n‑1次级用户第n‑1次迭代时获得的次级用户安全能效，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，β表示次级用户发送机的功率放大因子，ln2表示2的自然对数；(5b)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的迭代模糊值：$F_k^n=\frac{\sqrt{a_k^2{\left({\gamma }_{sr}+{\gamma }_{se}\right)}^2+4a_k{\gamma }_{sr}{\gamma }_{se}({\gamma }_{sr}-{\gamma }_{se}-a_k)}-a_k({\gamma }_{sr}+{\gamma }_{se})}{2a_k{\gamma }_{sr}{\gamma }_{se}}$其中，表示第k次迭代的次级用户安全能效最佳发送功率的迭代模糊值，a_k表示第k次迭代时功率比值系数，k表示subgradient迭代算法的迭代次数，k＝1,2,3,....,K，K表示所选用计算设备的容许计数范围内的最大正整数，γ_sr表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，γ_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，表示平方根操作；(5c)按照下式，计算次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值：$P_k^n=\frac{F_k^n+\left|F_k^n\right|}{2}$其中，表示第k次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值，表示第k次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的迭代模糊值，k表示subgradient迭代算法的迭代次数，k＝1,2,3,....,K，K表示所选用计算设备的容许计数范围内的最大正整数，|·|表示绝对值操作；(6)计算拉格朗日乘子迭代误差：利用功率约束算法，计算平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子迭代误差ζ_μ和平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子迭代误差ζ_λ；(7)判断平均干扰功率约束值对应的拉格朗日乘子迭代误差和平均发送功率约束值对应的拉格朗日乘子迭代误差是否满足拉格朗日乘子迭代终止条件，若是，则执行步骤(8)，否则，将subgradient迭代算法的迭代次数加1后执行步骤(4)；(8)按照下式，计算安全能效函数：$f_n\left(\eta \right)=\left\{\begin{array}{cc}E\left\{\right[{\log }_2(1+{\gamma }_{sr}{P}_k^n)-{\log }_2(1+{\gamma }_{se}{P}_k^n)\left]\right\}& n=1\\ E\left\{\right[{\log }_2(1+{\gamma }_{sr}{P}_k^n)-{\log }_2(1+{\gamma }_{se}{P}_k^n)\left]\right\}-{\eta }^{n-1}E\{{\mathrm{\beta P}}_k^n+P_C\}& n\ge 2\end{array}\right.$其中，f_n(η)表示第n次迭代时安全能效函数，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，η次级用户安全能效，γ_sr表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，γ_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，表示第k次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值，η^n‑1次级用户第n‑1次迭代时次级用户安全能效，β表示次级用户发送机的功率放大因子，P_C表示固定电路C消耗的功率，log₂(·)表示以2为底的对数操作，E{·}表示求数学期望操作；(9)按照下式，计算次级用户安全能效：${\eta }^n=\frac{E\left\{\right[{\log }_2(1+{\gamma }_{sr}{P}_k^n)-{\log }_2(1+{\gamma }_{se}{P}_k^n)\left]\right\}}{E\{{\mathrm{\beta P}}_k^n+P_C\}}$其中，ηⁿ表示第n次迭代时次级用户安全能效，n表示次级用户安全能效的迭代次数，n＝1,2,3,...,N，N表示次级用户安全能效的最大迭代次数，γ_sr表示次级用户发送端s到接收端r的功率增益比例系数，γ_se表示次级用户发送端s到监听用户接收端e的功率增益比例系数，表示第k次迭代时次级用户安全能效最佳发送功率的迭代真实值，k表示subgradient迭代算法的迭代次数，k＝1,2,3,....,K，K表示所选用计算设备的容许计数范围内的最大正整数，β表示次级用户发送机的功率放大因子，P_C表示固定电路C消耗的功率，log₂(·)表示以2为底的对数操作，E{·}表示求数学期望操作；(10)判断是否满足安全能效终止条件，若是，则执行步骤(11)，否则，将次级用户安全能效的迭代次数加1后执行步骤(3)；(11)得到次级用户安全能效最佳发送功率和次级用户最大安全能效。