认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法   0    0

本发明公开了认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法。本发明以绿色无线认知网络为研究背景，引入具有能量收集能力的认知节点，给出了所提存在多个能量收集认知源节点情况下的认知携能网络中主网络与次网络之间合作安全通信策略的场景与数学模型。分析了该通信系统中主网络的安全通信性能以及次网络的可达通信速率。研究了主网络发送节点的发送功率、最佳认知节点发送功率、主网络目的节点干扰功率对主网络安全通信速率的影响。本发明方法满足存在多个能量收集认知源节点情况下认知携能网络中主网络安全通信性能的要求，同时也保证了次网络的通信质量要求。

1.认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法场景假设与建模；
步骤2、认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法中最佳认知节点的选择策略；
步骤3、认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法中最佳认知节点的接收波束成型向量设计；
步骤4、认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法中最佳认知节点的发射波束成型向量设计和其余认知节点的发送波束成型向量设计；
步骤1所述的场景假设与建模，具体如下：
(1)设整个通信时隙归一化为1，并等分为两个通信阶段；
(2)合法认知用户能够获得所有信道状态信息，系统中所有信道均服从瑞利平坦衰落；
(3)在授权主网络中，发送节点和目的节点不能直接进行通信，需要通过次网络中的认知节点中继转发；
第一阶段，主网络发送节点PU,以功率PP广播信号xP；同时，主网络目的节点PD以功率PD广播干扰信号xD；其中，xP和xD都是单位功率信号；
M个认知节点SUi都能收到信号xP和xD，所有认知节点都配备有N根天线，其中i＝1,2,

3......M，M个认知节点SUi接收到的信号为：
其中， 和 分别为PU到第i个认知节点SUi和PD到第i个认知节点SUi链路的N×1信道向量； 是第i个认知节点SUi处的N×1噪声向量，噪声功率为
主网络使用最佳认知节点选择策略选取最佳的认知节点，最佳认知节点通过设计接收波束成型向量对接收到的信号进行信息解码，而其余认知节点对接收到的信号进行能量收集；
最佳认知节点SUb处的接收信干噪比表示为：
其中wb为SUb处待设计的接收波束成型向量， 表示该向量的共轭转置；
其余认知节点SUi收集到的能量为：
其中η表示能量转化效率，并满足0≤η≤1；
在这一阶段中，i＝1,2,
3......M，i≠b；窃听者Eve能够进行非法窃听，Eve获取到的信号和接收信干噪比分别为：
其中，hPE和hDE分别为PU到Eve和PD到Eve链路的信道系数；nE1是均值为0，方差为 的加性高斯白噪声；
第二阶段，选择的最佳认知节点SUb允许使用授权主网络的通信频段发送数据xS，但同时也需要帮助转发授权主网络的数据xP；在SUb处，发送信号可以表示为：
其中，xP和xS都是单位功率信号； 是最佳认知节点的发送功率；wP和 分别是针对主网络目的节点PD和次网络目的节点SD的发送波束成型向量；
其余认知节点SUi，i＝1,2,
3......M，i≠b；则利用上一阶段收集到的能量发送次网络数据xS，发送信号表示为：
这一阶段，PD、SD和Eve的接收信号分别表示为：
PD、SD和Eve的接收信干噪比分别表示为：
因此，在整个通信阶段，主网络可达到的安全通信速率表示为：
次网络可达到的安全通信速率表示为：

2.如权利要求1所述的认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法，其特征在于步骤2所述的最佳认知节点的选择策略，具体如下：
首先得到主网络发送节点和次网络各个认知节点之间的信道状态信息，然后依照以下准则选取最佳认知节点：

3.如权利要求2所述的认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法，其特征在于步骤3所述的最佳认知节点的接收波束成型向量设计，具体如下：
为了避免主网络目的节点发送的干扰信号对最佳认知节点的信息解码的影响，提出了一种基于迫零准则的波束成型方案，即使得wb满足：
最后设计wb如下：
其中，

4.如权利要求3所述的认知SWIPT最佳节点选择与波束成型联合设计方法，其特征在于步骤4所述的最佳认知节点的发射波束成型向量设计和其余认知节点的发送波束成型向量设计，具体如下：
为了避免次网络的数据信号xS对主网络目的节点的信息解码的影响，提出了一种基于迫零准则的波束成型方案，设计 如下：
其中，
为了削弱窃听用户对最佳认知节点转发的主网络的数据信号xP的窃听，设计使得最佳认知节点的发送波束成型向量wP位于 的零空间下：
其中，