通信技術(shù)前沿論壇報告：綠色無線攜能網(wǎng)絡(luò)中繼選擇與物理層安全技術(shù)

1、綠色無線攜能網(wǎng)絡(luò)中繼選擇與物理層安全技術(shù)杭州電子科技大學 通信工程學院許 曉 榮 2018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告12018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告報告內(nèi)容基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議設(shè)計 報告內(nèi)容概述SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法22018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告報告內(nèi)容概述課題來源浙江省自然科學基金一般項目“ 基于能量有效性的認知無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸方案與物理層安全策略研究”（LY15F010008），2015年1月-2017年12月。（結(jié)題評審優(yōu)秀，結(jié)題成果量化排名：處于前10%區(qū)間，結(jié)題成果入選2018年度

2、省基金優(yōu)秀成果匯編）。浙江省自然科學基金一般項目“綠色無線攜能網(wǎng)絡(luò)中繼選擇與資源調(diào)度策略研究” （擬立項公示，申請編號：Y19F010036），2019年1月-2021年12月。浙江省科協(xié)青年科技人才培育工程資助培養(yǎng)項目（2016YCGC009），浙江省信號處理學會推薦，2016年8月2019年8月。入選2017年度杭州電子科技大學“優(yōu)秀骨干教師支持計劃” ，2018年-2023年。32018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告綠色通信能源短缺環(huán)境污染綠色通信42018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告SWIPT網(wǎng)絡(luò)(1/2)無線攜能通信（Simultaneous Wireless Information

3、and Power Transfer, SWIPT）SWIPT是將無線信息傳輸（WIT）與無線能量傳輸（WPT）進行結(jié)合。 在SWIPT網(wǎng)絡(luò)中，若考慮平均功率約束，信息速率與無線能量之間存在一定的折衷關(guān)系。SWIPT網(wǎng)絡(luò)中繼選擇必須盡可能在信息傳輸與能量收集之間達到平衡。 在時變干擾的窄帶平坦衰落信道下，存在SWIPT系統(tǒng)中斷容量-能量聯(lián)合域和速率-能量聯(lián)合域。SWIPT接收機：時隙切換（Time Switching, TS）結(jié)構(gòu)、功率分割（Power Splitting, PS）結(jié)構(gòu)。波束成型是SWIPT中關(guān)鍵技術(shù)之一。在不要求額外帶寬或發(fā)射功率的前提下，波束成型可以有效提高SWIPT能效和

4、通信效率。傳統(tǒng)信息傳輸?shù)淖罴阎欣^未必是能量收集的最佳中繼，因此攜能為中繼選擇方案的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。52018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告SWIPT網(wǎng)絡(luò)(2/2)SWIPT網(wǎng)絡(luò)緩存隊列中繼選擇場景圖 基于功率分割的SWIPT中繼接收機結(jié)構(gòu) 62018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告 報告內(nèi)容概述SWIPT網(wǎng)絡(luò)緩存隊列中繼選擇功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇；能效優(yōu)先的SWIPT中繼節(jié)點選擇方案；能量有效性與傳輸可靠性的折衷。SWIPT網(wǎng)絡(luò)信息/能量協(xié)同傳輸與物理層安全基于時隙切換結(jié)構(gòu)的中繼輔助信息/能量同傳方案；認知SWIPT保障安全的波束成型與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化；能量有效

5、性與傳輸安全性的折衷。無線攜能網(wǎng)絡(luò)中繼選擇物理層安全72018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告報告內(nèi)容基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議設(shè)計 報告內(nèi)容概述SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法82018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇能效優(yōu)先的SWIPT緩存隊列機制中繼節(jié)點選擇方案SWIPT網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法92018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（1/7）能效優(yōu)先緩存隊列中

6、繼選擇系統(tǒng)模型 根據(jù)最佳中繼選擇策略，選擇出一對具有信道增益最高、節(jié)點能耗最低的最佳中繼節(jié)點，即：最優(yōu)接收中繼和最優(yōu)發(fā)送中繼。按先入先出（FIFO）排隊策略將存在中繼緩存隊列中的數(shù)據(jù)包進行編碼后發(fā)送到目的節(jié)點?；贏CK/NACK的重傳機制有效保證了目的節(jié)點正確接收到來自源節(jié)點的數(shù)據(jù)包。在一個時隙內(nèi)，簇首節(jié)點根據(jù)信道鏈路狀態(tài)和中繼緩存隊列狀態(tài)，確定最優(yōu)接收中繼和最優(yōu)發(fā)送中繼，并且根據(jù)最佳中繼選擇算法，選擇該最佳中繼節(jié)點對。以全雙工（FD）方式進行協(xié)作傳輸，同時實現(xiàn)功率自適應(yīng)與中繼間干擾消除。102018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告 考慮轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點集合 ，接收中繼節(jié)點集合 ，簇首節(jié)點根據(jù)中繼節(jié)

7、點信息選擇一對最佳中繼。簇首節(jié)點從集合 選出隊列狀態(tài) 較小、信道增益較大的中繼集合 ，并從中選擇出滿足系統(tǒng)傳輸要求和信源發(fā)送功率最小的中繼節(jié)點作為最佳接收中繼 ； 與此同時，從集合 中選出隊列狀態(tài) 較大、信道增益較大的中繼集合 ，并從中選擇出滿足系統(tǒng)傳輸要求和所選中繼發(fā)射功率最小的中繼節(jié)點作為最佳發(fā)送中繼 。最佳接收中繼 選擇策略： 功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（2/7）112018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告最佳發(fā)送中繼 選擇策略：信源和最佳發(fā)送中繼的最小發(fā)射功率分別為： 功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（3/7）122018年浙江省通信技術(shù)前沿論

8、壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（4/7）若緩存隊列 ，當發(fā)送功率 ，穩(wěn)態(tài)中斷概率：可達分集增益：信源的平均傳輸時延：中繼節(jié)點-目的節(jié)點之間的平均傳輸時延：系統(tǒng)的平均傳輸時延：132018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（5/7）K=2, L=2的中繼系統(tǒng)緩存隊列狀態(tài)狀態(tài)S1S2S3S4S5S6S7S8S9000102101112202122 K=2, L=2的中繼系統(tǒng)緩存隊列狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 142018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（6/7）當K=2, L=2

9、時，不同中繼選擇策略的中斷概率分析 當K=2時，Buffer State策略與所提策略的中斷性能比較 152018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇（7/7）當L=3時，不同中繼數(shù)情況下所提策略的中斷性能 不同中繼選擇策略的時延性能比較 Xiaorong Xu, Liang Li, Yingbiao Yao, Xianyang Jiang, Sanqing Hu. “Energy-efficient buffer-aided optimal relay selection scheme with power adaptation and inter

10、-relay interference cancellation”, KSII Transactions on Internet and Information Systems, vol.10, no.11, pp.5343-5364, 2016. 162018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告功率自適應(yīng)與中繼干擾消除下的緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇能效優(yōu)先的SWIPT緩存隊列機制中繼節(jié)點選擇方案SWIPT網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法172018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告能效優(yōu)先的SWIPT緩存隊列機制中繼節(jié)點選擇方案（1/3）基于功率分割的

11、SWIPT中繼信息-能量協(xié)同傳輸協(xié)議 以能效為目標的最佳接收/轉(zhuǎn)發(fā)中繼選擇策略：182018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告能效優(yōu)先的SWIPT緩存隊列機制中繼節(jié)點選擇方案（2/3）系統(tǒng)能效：其中， 為S-R鏈路的最大頻帶利用率，( )為S-R鏈路的能耗。功率分割因子對系統(tǒng)能效的影響 源發(fā)送功率對系統(tǒng)能效的影響 192018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告能效優(yōu)先的SWIPT緩存隊列機制中繼節(jié)點選擇方案（3/3）功率分割因子對系統(tǒng)中斷性能的影響 源發(fā)送功率對系統(tǒng)中斷性能的影響 當緩存隊列長度 時，功率分割因子取值 下，所提中繼選擇方案最小中斷概率低于基于功率分割的網(wǎng)絡(luò)編碼中繼協(xié)議方案。 洪鑫龍, 許曉

12、榮, 姚英彪. “無線攜能通信中一種能效優(yōu)先的緩存隊列機制中繼選擇方案”, 電信科學, vol.34, no.3, pp.67-75, 2018. 202018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告報告內(nèi)容基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議設(shè)計 報告內(nèi)容概述SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法212018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議（1/4）基于時隙切換的中繼輔助信能同傳場景圖 基于時隙切換的SWIPT中繼接收機結(jié)構(gòu) 222018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議（2/4）基于時隙切

13、換的中繼輔助信能同傳協(xié)議時隙分配表 中斷概率： 。其中，目的節(jié)點接收到S1的互信息：其中，S1-D直接鏈路SNR為： ， S1-R-D鏈路SNR為：能效：其中， 為 鏈路最大頻帶利用率， 為 鏈路的能耗。 232018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議（3/4）時隙切換因子對SWIPT網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響 S-R距離對SWIPT網(wǎng)絡(luò)中斷性能的影響 242018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議（4/4）能效與時隙切換因子關(guān)系 能效與源發(fā)送功率關(guān)系 洪鑫龍, 許曉榮, 石振波. “無線攜能網(wǎng)絡(luò)中一種基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議”, 信號

14、處理, vol.35, no.1, 2019. （已錄用，2019年1月發(fā)表） 252018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告報告內(nèi)容基于時隙切換的中繼輔助信能同傳協(xié)議設(shè)計 報告內(nèi)容概述SWIPT能效優(yōu)先緩存隊列機制最優(yōu)中繼選擇方法 保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法262018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（1/7）認知SWIPT解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼網(wǎng)絡(luò)場景與傳輸時隙圖272018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（2/7）最佳SWIPT中繼Ro選擇策略：Ro接收信號用于信息傳輸：Ro接收信號用于

15、能量收集：Ro收集的能量：Ro接收SINR：SD接收SINR：Eve竊聽來自SU與最佳SWIPT中繼Ro的信息。Eve接收SINR分別為：282018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（3/7）SD可達安全速率：聯(lián)合設(shè)計波束成型向量 與功率分割因子 ，以最大化SD可達安全速率：采用半正定松弛（SDR）方法求解P1問題，P1等效為：292018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（4/7）P2分解為二個等效優(yōu)化問題：P4問題等效為：定義： ， ， ，且 ，P4轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃（SDP）凸優(yōu)化問題：通過對 進行奇異值

16、分解（EVD），得到最優(yōu)波束成型向量 。302018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（5/7）通過一維搜索數(shù)值求解得到最佳 。通過二分法數(shù)值求解得到最佳 。312018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（6/7）功率分割因子與SD可達安全速率的關(guān)系（ ）322018年浙江省通信技術(shù)前沿論壇報告保障安全的波束成型向量與功率分割因子聯(lián)合優(yōu)化方法（7/7）SU發(fā)射功率與SD可達安全速率的關(guān)系SD發(fā)射人工噪聲功率與SD可達安全速率的關(guān)系Xiaorong Xu, Andi Hu, Yulong Zou, Wei Feng. “Joint