一种不完美CSI下非可信中继网络的最优功率分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种不完美CSI下非可信中继网络的最优功率分配方法，首先描述两跳半双工中继网络的通信方案，然后给出最优功率分配方案，最后分析信道ESR，获取可达的安全速率。本发明专利技术给出了传输过程中的最优化功率分配公式来最大化安全速率，进一步分析了在高SNR下的ESR，用来评估可达的平均安全速率。近似的最优化功率分配可以带来比等功率分配更高的安全速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在非理想信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)条件下的非可信中继网络最优功率分配方案。
技术介绍
多跳中继被认定为一种能效传输方案，是解决无线通信安全的最优途径。物理层安全传输的方法具有低计算复杂度和节省资源的优势。近几年来，合作多样性技术由于可以提高物理层防窃听的安全性而吸引了很多学者的注意。在物理层中，用户和干扰源之间存在功率分配的博弈问题。干扰源希望传输具有足够功率的干扰信号来避免窃听者偷听用户的发射信息，而用户也希望传输的信号具有充足的功率保证信号传输的速率。在总功率一定的条件下，如何找到最优的功率分配方案，使安全速率最大化，许多学者已经做出了相应的研究。文献1“XiangHe,AylinYener.Cooperationwithanuntrustedrelay:Asecrecyperspective[J].IEEETrans.Inf.Theory,2010,56(8):3807-3827”提出中继节点是不可信的，它可能会窃听、干扰转发的信息，但是，相比于与不使用该类中继节点，利用不可信的中继节点进行协作通信可以提高系统的安全容量。文献2“LiSun,TaiyiZhang,YuboLiandHaoNiu.Performancestudyoftwo-hopamplify-and-forwardsystemswithuntrustworthyrelaynodes[J].IEEETrans.Veh.Technol.,2012,61(8):3801-3807”通过基于目的地的干扰技术(Destination-basedJamming,DBJ)，获得单个不可信中继的遍历安全容量(ErgodicSecrecyCapacity,ESC)的下界，并将之扩展到多个不可信中继场景，提出一种安全中继选择方案，该方案可最大化可达的系统安全容量，实现不可信放大转发(AmplifyForwaed,AF)中继系统的安全通信，但并没有考虑最优化功率分配，而且文献2是基于完美CSI条件下进行研究的，而实际的通信环境并不能获得完美的CSI。文献3“LifengWang,MagedElkashlan,JingHuang,NghiH.Tan,etal.Securetransmissionwithoptimalpowerallocationinuntrustedrelaynetworks[J].IEEECommun.Lett.,2014,3(3):289-292”将文献2的研究扩展两跳放大转发中继网络，并测试大规模天线阵列的影响。当大规模天线阵列在源节点时，ESC仅取决于中继和目的节点间的信道状态信息；当大规模天线阵列在目的节点时，ESC仅取决于中继和源节点间的信道状态信息。不过，文献3仅仅考虑了最大化安全容量，并没有考虑能量效率，同样所做的研究也是在假设状态信息是完美的条件下进行的。上述文献均在完美CSI假设下开展研究，但在真实的通信环境中，完美的CSI基本是不可能实现的。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术在文献3的基础上提出一种在不完美CSI条件下改进的最优功率分配方案，对合作干扰中继通信方案进行研究，考虑中继节点不可信和在总功率受限的条件，在信道估计误差的统计信息可以获得的情况下，提取出最优化功率分配因子αopt，并进一步分析信道可实现的遍历安全速率(ErgodicSecrecyRate，ESR)以获取可达的平均安全速率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一，在一个两跳半双工中继网络中，在第一个时隙，源节点Alice向不可信的中继节点R传输信息xA，同时目的节点Bob向不可信的中继节点R传输信息xB，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示节点Alice和Bob的发射功率，hA-R和hB-R分别为节点Alice和Bob到中继节点R的复信道增益，hB-R＝hR-B，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；节点Alice和Bob发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则节点Alice发送的加密信息功率PA＝αP，节点Bob发送的功率PB＝(1-α)P，中继节点R处接收的瞬时信干噪比其中，节点Alice和Bob等效信噪比的比值μ＝γA-R/γB-R，节点Alice和Bob到中继节点R的等效信噪比分别表示为γA-R＝||hA-R||2P/N0和γB-R＝||hB-R||2P/N0，N0＝1；步骤二，在第二个时隙，中继节点R将接收到的信号放大后发给目的节点Bob，放大因子为β；从中继节点R发送给节点Bob的信号表示为两个时隙均以相同功率P传输信号，将yR归一化为||yR||2＝P，得到放大因子节点Bob接收到从不信任的中继节点R发出的信号为其中，nB是节点Bob接收到的加性高斯白噪声，是不信任中继节点R与节点Bob之间估计的信道增益，he是信道估计误差，且服从复高斯分布hB-R和he满足E(he)＝0；通过自干扰消除后，节点Bob接收到的信号为假定则对于给定的信道增益hA-R和hB-R，在节点Bob处得到等价的SINR为步骤三，定义瞬时的安全速率其中，[t]+＝max[t，0]；首先对做关于α的求导，得到其中Δ＝2γB-R-αγB-R+γe2+αμγB-R-αγe2+1；计算分母的两个根考虑到α∈[0，1]，通过解出分子的根从而找到公式(12)的解，由此得到最优化的功率分配因子αopt。本专利技术的有益效果是：给出了传输过程中的最优化功率分配(OPA)公式来最大化安全速率。为了解决最优化问题的复杂性，进一步分析了在高SNR下的ESR，用来评估可达的平均安全速率。近似的最优化功率分配可以带来比等功率分配更高的安全速率，仿真结果证实了所提算法的有效性。附图说明图1是两跳中继网络合作干扰和安全传输示意图；图2是不同μ值和信道估计误差下精确与近似功率最优化分配因子αopt示意图；图3是精确与近似最优化功率因子之间的相对误差示意图；图4是不同γB-R，μ＝0.5时最优功率分配和平均功率分配对应的安全速率对比示意图；图5是不同γB-R，μ＝2时最优功率分配和平均功率分配对应的安全速率对比示意图；图6是在μ＝0.5和不同信道估计误差下的ESR分布示意图；图7是在μ＝2和不同信道估计误差下的ESR分布示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术所使用的系统模型是具有三个节点的中继网络，其原理如图1所示。该模型由源节点(Alice)、不可信的放大转发中继节点(R)和目的节点(Bob))组成，每个节点使用单天线配置，一个传输过程需要2个时隙完成。假设Alice与Bob之间由于阴影衰落或者距离太远而不存在直接的通信链路，只能通过一个不可信的中继节点R进行通信。在第一个时隙，Alice向不可信中继节点R传输信息xA，同时Bob向不可信中继节点R传输信息xR。在第二个时隙，中继节点R将接收到的信号经过放大器放大后重新发给Bob，其中放大因子为β。进一步，假设所有无线信道是时变的瑞利衰落信道，每个节点接收到的噪声是均值为0，功率谱密度为N0的加性高斯白噪声(AWGN)。本专利技术首先描述两跳半双工中继网络的通信方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不完美CSI下非可信中继网络的最优功率分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个两跳半双工中继网络中，在第一个时隙，源节点Alice向不可信的中继节点R传输信息xA，同时目的节点Bob向不可信的中继节点R传输信息xB，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示节点Alice和Bob的发射功率，hA‑R和hB‑R分别为节点Alice和Bob到中继节点R的复信道增益，hB‑R＝HR‑B，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；节点Alice和Bob发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则节点Alice发送的加密信息功率PA＝αP，节点Bob发送的功率PB＝(1‑α)P，中继节点R处接收的瞬时信干噪比其中，节点Alice和Bob等效信噪比的比值μ＝γA‑R/γB‑R，节点Alice和Bob到中继节点R的等效信噪比分别表示为γA‑R＝||hA‑R||2P/N0和γB‑R＝||hB‑R||2P/N0，N0＝1；步骤二，在第二个时隙，中继节点R将接收到的信号放大后发给目的节点Bob，放大因子为β；从中继节点R发送给节点Bob的信号表示为yR=β(αPhA-RxA+(1-α)PhB-RxB+nR);]]>两个时隙均以相同功率P传输信号，将yR归一化为||yR||2＝P，得到放大因子β=PαP||hA-R||2+(1-α)P||hB-R||2+1;]]>节点Bob接收到从不信任的中继节点R发出的信号为zB=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhB-RxBhR-B+βnRhR-B+nB;]]>其中，nB是节点Bob接收到的加性高斯白噪声，是不信任中继节点R与节点Bob之间估计的信道增益，he是信道估计误差，且服从复高斯分布hB‑R和he满足E(he)＝0；通过自干扰消除后，节点Bob接收到的信号为zB*=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhexBhe+βnRhR-B+nB;]]>假定则对于给定的信道增益hA‑R和hB‑R，在节点Bob处得到等价的SINR为γB(α)=β2αP||hA-R||2||hB-R||2β2||hB-R||2+β2(1-α)P(σe2)2+1=αγA-RγB-RγB-R+αγA-R+(1-α)((Pσe2)2+γB-R)+1=αμγB-R2-α+αμ+(1-α)((γe)2(γB-R))+1γB-R;]]>步骤三，定义瞬时的安全速率其中，[t]+＝max[t，0]；首先对做关于α的求导，得到dζdα=μγB-R2(γB-R-αγB-R+1)(2γB-R+γe2+1)(γB-R-αγB-R+αγB-Rμ+1)Δ2-μγB-R(αγB-RμΔ+1)(γB-R+1)(γB-R-αγB-R+αγB-Rμ+1)2=0]]>其中Δ＝2γB‑R‑αγB‑R+γe2+αμγB‑R‑αγe2+1；计算分母的两个根考虑到α∈[0，1]，通过解出分子的根从而找到公式(12)的解，由此得到最优化的功率分配因子αopt。...

【技术特征摘要】
1.一种不完美CSI下非可信中继网络的最优功率分配方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，在一个两跳半双工中继网络中，在第一个时隙，源节点Alice向不可信的中继节点R传输信息xA，同时目的节点Bob向不可信的中继节点R传输信息xB，中继节点R接收到的信号其中，PA和PB分别表示节点Alice和Bob的发射功率，hA-R和hB-R分别为节点Alice和Bob到中继节点R的复信道增益，hB-R＝HR-B，nR表示中继节点R处的加性高斯白噪声；节点Alice和Bob发送的总功率为P，α∈[0，1]表示功率分配因子，则节点Alice发送的加密信息功率PA＝αP，节点Bob发送的功率PB＝(1-α)P，中继节点R处接收的瞬时信干噪比其中，节点Alice和Bob等效信噪比的比值μ＝γA-R/γB-R，节点Alice和Bob到中继节点R的等效信噪比分别表示为γA-R＝||hA-R||2P/N0和γB-R＝||hB-R||2P/N0，N0＝1；步骤二，在第二个时隙，中继节点R将接收到的信号放大后发给目的节点Bob，放大因子为β；从中继节点R发送给节点Bob的信号表示为yR=β(αPhA-RxA+(1-α)PhB-RxB+nR);]]>两个时隙均以相同功率P传输信号，将yR归一化为||yR||2＝P，得到放大因子β=PαP||hA-R||2+(1-α)P||hB-R||2+1;]]>节点Bob接收到从不信任的中继节点R发出的信号为zB=βαPhA-RxAhR-B+β(1-α)PhB-RxBhR-B+βnRhR-B+nB;]]>其中，nB是节点Bob接收到的加性高斯白噪声，是不信任中继节点R与节点Bob之间估计的信道增益，he是信道估计误差，且服从复高斯分布hB-R和he满足E(he)＝0；通过自干扰消除后，节...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚如贵，高岩，徐菲，徐娟，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61