1.一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、构建MIMO无线携能全双工中继系统,该系统中包括具有多天线的源节点S、目的节点D、窃听节点E和全双工中继节点R;
S2、分别获取中继节点、目的节点以及窃听节点的可达容量,并计算在这些可达容量下系统的安全容量;
S3、在满足服务质量和安全容量的情况下,构建关于收发器和功率分割因子联合优化的目标函数,该目标函数表示为:H
min Tr(QQ)
s.t.C1:MSE≤ε
C3:Cs≥η
C4:0<ρ<1
其中,Q表示预编码矩阵,ε是均方误差阈值; 表示目的节点采集的能量,μ是能量收集要求的阈值;Cs表示系统的安全容量,η表示安全容量要求的阈值;ρ表示功率分割因子;
上标H表示矩阵的转置共轭矩阵,MSE表示接收信号与发射信号的均方误差,表示为:其中,hrd表示中继节点到目的节点的信道系数, 表示中继节点上噪声的方差, 表示目的节点上噪声的方差,||·||表示欧几里得范数,I表示单位矩阵;
S4、采用半定松弛方法将目标函数转化为凸函数,并求解得到预编码矩阵及功率分割因子,以求解得到的预编码矩阵进行保密传输。
2.根据权利要求1所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,在MIMO无线携能全双工中继系统模型中,第t时隙时,中继节点处的接收信号表示为:yr(t)=hsrQxs(t)+hsixs(t-1)+nr(t);目的节点处的接收信号表示为:yd(t)=ρ(hrdQxs(t-1)+nr(t))+nd(t);窃听节点处的接收信号表示为:ye(t)=hseQxs(t)+hreQxs(t-1)+ne(t);
其中,hsr为源节点到中继节点的信道系数,Q为预编码矩阵,xs(t)表示时隙t时源节点传输到中继节点的数据,xs(t-1)表示时隙t-1时源节点传输到中继节点的数据;hsi为中继节点残余自干扰系数;hrd为中继节点到目的节点的信道系数;ρ为功率分割因子;nr(t)、nd(t)以及ne(t)依次表示为中继节点、目的节点以及窃听节点上的噪声;hre为中继节点与窃听节点之间的信道系数;hse为源节点与窃听节点之间的信道系数。
3.根据权利要求1所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,系统的安全容量表示为:Cs=min(Cd,Cr)-Ce;
其中,Cs表示系统的安全容量,Cd目的节点的可达容量,Cr表示中继节点的可达容量,Ce窃听节点的可达容量。
4.根据权利要求3所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,目的节点的可达容量Cd表示为:其中,ρ表示功率分割因子,Q表示预编码矩阵,hrd表示中继节点到目的节点的信道系数, 表示中继节点上噪声的方差, 表示目的节点上噪声的方差,||·||表示欧几里得范数。
5.根据权利要求3所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,中继节点的可达容量Cr表示为:其中,Q表示预编码矩阵,hsi表示中继节点残余自干扰系数, 表示中继节点上噪声的方差,||·||表示欧几里得范数。
6.根据权利要求3所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,窃听节点的可达容量Ce表示为:其中,Q表示预编码矩阵,hse表示源节点与窃听节点之间的信道系数,hre表示中继节点与窃听节点之间的信道系数, 表示窃听节点上噪声的方差,||·||表示欧几里得范数。
7.根据权利要求1所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,目的节点采集的能量 表示为:其中,hrd表示中继节点到目的节点的信道系数,nr(t)表示中继节点上的噪音;x(t-1)表示时隙t-1时中继节点传输到目的节点的数据;||·||表示欧几里得范数。
8.根据权利要求1所述的一种无线携能全双工中继系统的保密传输方法,其特征在于,采用半定松弛方法将目标函数转化为凸函数,并求解得到预编码矩阵包括:求解非凸优化函数,引入三个中间参数A、B以及X,表示为:ρ2=A、 X=QQH;并对三个中间参数进行进一步松弛,表示为:ρ2≤A、 QQH≤X,则将目标函数转化为凸函数,表示为:min||X||2
C2:Cs≥η
C3:||hrdQx(t-1)||2+nr(t)≥B
C4:0<ρ<1
C5:ρ2≤A
C7:QQH≤X
上式凸函数的最优函数值是目标函数的下界,即凸函数的最优函数值满足目标函数的解;其中,||·||表示欧几里得范数,hrd表示中继节点到目的节点的信道系数,nr(t)表示中继节点上的噪音;x(t-1)表示时隙t-1时中继节点传输到目的节点的数据; 表示中继节点上噪声的方差, 表示目的节点上噪声的方差,I表示单位矩阵。