通信技术前沿论坛报告：绿色无线携能网络中继选择与物理层安全技术

1、绿色无线携能网络中继选择与物理层安全技术杭州电子科技大学 通信工程学院许 晓 荣 2018年浙江省通信技术前沿论坛报告12018年浙江省通信技术前沿论坛报告报告内容基于时隙切换的中继辅助信能同传协议设计 报告内容概述SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法22018年浙江省通信技术前沿论坛报告报告内容概述课题来源浙江省自然科学基金一般项目“ 基于能量有效性的认知无线网络协作传输方案与物理层安全策略研究”（LY15F010008），2015年1月-2017年12月。（结题评审优秀，结题成果量化排名：处于前10%区间，结题成果入选2018年度

2、省基金优秀成果汇编）。浙江省自然科学基金一般项目“绿色无线携能网络中继选择与资源调度策略研究” （拟立项公示，申请编号：Y19F010036），2019年1月-2021年12月。浙江省科协青年科技人才培育工程资助培养项目（2016YCGC009），浙江省信号处理学会推荐，2016年8月2019年8月。入选2017年度杭州电子科技大学“优秀骨干教师支持计划” ，2018年-2023年。32018年浙江省通信技术前沿论坛报告绿色通信能源短缺环境污染绿色通信42018年浙江省通信技术前沿论坛报告SWIPT网络(1/2)无线携能通信（Simultaneous Wireless Information

3、and Power Transfer, SWIPT）SWIPT是将无线信息传输（WIT）与无线能量传输（WPT）进行结合。 在SWIPT网络中，若考虑平均功率约束，信息速率与无线能量之间存在一定的折衷关系。SWIPT网络中继选择必须尽可能在信息传输与能量收集之间达到平衡。 在时变干扰的窄带平坦衰落信道下，存在SWIPT系统中断容量-能量联合域和速率-能量联合域。SWIPT接收机：时隙切换（Time Switching, TS）结构、功率分割（Power Splitting, PS）结构。波束成型是SWIPT中关键技术之一。在不要求额外带宽或发射功率的前提下，波束成型可以有效提高SWIPT能效和

4、通信效率。传统信息传输的最佳中继未必是能量收集的最佳中继，因此携能为中继选择方案的设计带来了新的挑战。52018年浙江省通信技术前沿论坛报告SWIPT网络(2/2)SWIPT网络缓存队列中继选择场景图 基于功率分割的SWIPT中继接收机结构 62018年浙江省通信技术前沿论坛报告 报告内容概述SWIPT网络缓存队列中继选择功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择；能效优先的SWIPT中继节点选择方案；能量有效性与传输可靠性的折衷。SWIPT网络信息/能量协同传输与物理层安全基于时隙切换结构的中继辅助信息/能量同传方案；认知SWIPT保障安全的波束成型与功率分割因子联合优化；能量有效

5、性与传输安全性的折衷。无线携能网络中继选择物理层安全72018年浙江省通信技术前沿论坛报告报告内容基于时隙切换的中继辅助信能同传协议设计 报告内容概述SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法82018年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择能效优先的SWIPT缓存队列机制中继节点选择方案SWIPT网络能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法92018年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（1/7）能效优先缓存队列中

6、继选择系统模型 根据最佳中继选择策略，选择出一对具有信道增益最高、节点能耗最低的最佳中继节点，即：最优接收中继和最优发送中继。按先入先出（FIFO）排队策略将存在中继缓存队列中的数据包进行编码后发送到目的节点。基于ACK/NACK的重传机制有效保证了目的节点正确接收到来自源节点的数据包。在一个时隙内，簇首节点根据信道链路状态和中继缓存队列状态，确定最优接收中继和最优发送中继，并且根据最佳中继选择算法，选择该最佳中继节点对。以全双工（FD）方式进行协作传输，同时实现功率自适应与中继间干扰消除。102018年浙江省通信技术前沿论坛报告 考虑转发中继节点集合 ，接收中继节点集合 ，簇首节点根据中继节

7、点信息选择一对最佳中继。簇首节点从集合 选出队列状态 较小、信道增益较大的中继集合 ，并从中选择出满足系统传输要求和信源发送功率最小的中继节点作为最佳接收中继 ； 与此同时，从集合 中选出队列状态 较大、信道增益较大的中继集合 ，并从中选择出满足系统传输要求和所选中继发射功率最小的中继节点作为最佳发送中继 。最佳接收中继 选择策略： 功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（2/7）112018年浙江省通信技术前沿论坛报告最佳发送中继 选择策略：信源和最佳发送中继的最小发射功率分别为： 功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（3/7）122018年浙江省通信技术前沿论

8、坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（4/7）若缓存队列 ，当发送功率 ，稳态中断概率：可达分集增益：信源的平均传输时延：中继节点-目的节点之间的平均传输时延：系统的平均传输时延：132018年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（5/7）K=2, L=2的中继系统缓存队列状态状态S1S2S3S4S5S6S7S8S9000102101112202122 K=2, L=2的中继系统缓存队列状态转移图和状态转移矩阵 142018年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（6/7）当K=2, L=2

9、时，不同中继选择策略的中断概率分析 当K=2时，Buffer State策略与所提策略的中断性能比较 152018年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择（7/7）当L=3时，不同中继数情况下所提策略的中断性能 不同中继选择策略的时延性能比较 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年浙江省通信技术前沿论坛报告功率自适应与中继干扰消除下的缓存队列机制最优中继选择能效优先的SWIPT缓存队列机制中继节点选择方案SWIPT网络能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法172018年浙江省通信技术前沿论坛报告能效优先的SWIPT缓存队列机制中继节点选择方案（1/3）基于功率分割的

11、SWIPT中继信息-能量协同传输协议 以能效为目标的最佳接收/转发中继选择策略：182018年浙江省通信技术前沿论坛报告能效优先的SWIPT缓存队列机制中继节点选择方案（2/3）系统能效：其中， 为S-R链路的最大频带利用率，( )为S-R链路的能耗。功率分割因子对系统能效的影响 源发送功率对系统能效的影响 192018年浙江省通信技术前沿论坛报告能效优先的SWIPT缓存队列机制中继节点选择方案（3/3）功率分割因子对系统中断性能的影响 源发送功率对系统中断性能的影响 当缓存队列长度 时，功率分割因子取值 下，所提中继选择方案最小中断概率低于基于功率分割的网络编码中继协议方案。 洪鑫龙, 许晓

12、荣, 姚英彪. “无线携能通信中一种能效优先的缓存队列机制中继选择方案”, 电信科学, vol.34, no.3, pp.67-75, 2018. 202018年浙江省通信技术前沿论坛报告报告内容基于时隙切换的中继辅助信能同传协议设计 报告内容概述SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法212018年浙江省通信技术前沿论坛报告基于时隙切换的中继辅助信能同传协议（1/4）基于时隙切换的中继辅助信能同传场景图 基于时隙切换的SWIPT中继接收机结构 222018年浙江省通信技术前沿论坛报告基于时隙切换的中继辅助信能同传协议（2/4）基于时隙切

13、换的中继辅助信能同传协议时隙分配表 中断概率： 。其中，目的节点接收到S1的互信息：其中，S1-D直接链路SNR为： ， S1-R-D链路SNR为：能效：其中， 为 链路最大频带利用率， 为 链路的能耗。 232018年浙江省通信技术前沿论坛报告基于时隙切换的中继辅助信能同传协议（3/4）时隙切换因子对SWIPT网络中断性能的影响 S-R距离对SWIPT网络中断性能的影响 242018年浙江省通信技术前沿论坛报告基于时隙切换的中继辅助信能同传协议（4/4）能效与时隙切换因子关系 能效与源发送功率关系 洪鑫龙, 许晓荣, 石振波. “无线携能网络中一种基于时隙切换的中继辅助信能同传协议”, 信号

14、处理, vol.35, no.1, 2019. （已录用，2019年1月发表） 252018年浙江省通信技术前沿论坛报告报告内容基于时隙切换的中继辅助信能同传协议设计 报告内容概述SWIPT能效优先缓存队列机制最优中继选择方法 保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法262018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（1/7）认知SWIPT解码转发（DF）中继网络场景与传输时隙图272018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（2/7）最佳SWIPT中继Ro选择策略：Ro接收信号用于信息传输：Ro接收信号用于

15、能量收集：Ro收集的能量：Ro接收SINR：SD接收SINR：Eve窃听来自SU与最佳SWIPT中继Ro的信息。Eve接收SINR分别为：282018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（3/7）SD可达安全速率：联合设计波束成型向量 与功率分割因子 ，以最大化SD可达安全速率：采用半正定松弛（SDR）方法求解P1问题，P1等效为：292018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（4/7）P2分解为二个等效优化问题：P4问题等效为：定义： ， ， ，且 ，P4转化为半正定规划（SDP）凸优化问题：通过对 进行奇异值

16、分解（EVD），得到最优波束成型向量 。302018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（5/7）通过一维搜索数值求解得到最佳 。通过二分法数值求解得到最佳 。312018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（6/7）功率分割因子与SD可达安全速率的关系（ ）322018年浙江省通信技术前沿论坛报告保障安全的波束成型向量与功率分割因子联合优化方法（7/7）SU发射功率与SD可达安全速率的关系SD发射人工噪声功率与SD可达安全速率的关系Xiaorong Xu, Andi Hu, Yulong Zou, Wei Feng. “Joint