一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的方法，包括以下步驟：1)在放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中，獲取第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)Ti處可達(dá)信息速度I1、第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T2處可達(dá)信息速度I2以及竊聽者Ek處可達(dá)信息速率；2)則根據(jù)安全和速率最大化準(zhǔn)則構(gòu)建單個(gè)中繼功率控制的優(yōu)化問(wèn)題，然后將該優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃問(wèn)題，并通過(guò)迭代的方法得到最優(yōu)的矩陣xopt，其中所述矩陣xopt滿足rank(Xopt)＝1，然后根據(jù)所述得到最優(yōu)的安全和速率。該方法可以實(shí)現(xiàn)放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的最大安全和速率，顯著降低竊聽者竊取正當(dāng)用戶的信息概率，提高安全通信的頻譜效率。
【專利說(shuō)明】-種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形 的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線信道固有的開放性加快了無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，但是同時(shí)也增加了被竊聽的 概率。物理層安全作為一種新的提高安全的方法在安全通信領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。與傳 統(tǒng)的高層安全方案相比，物理層安全的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)開銷小、協(xié)議棧簡(jiǎn)單和復(fù)雜度較低，因此 適合于分布式中繼網(wǎng)絡(luò)單元。最新的研究表明，協(xié)作分布式節(jié)點(diǎn)可以顯著地提高安全速率。
[0003] 目前關(guān)于物理層安全的研究主要集中在MM0系統(tǒng)中，并且協(xié)作分布式中繼可以 顯著的提高安全速率。在分布式中繼網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)單向中繼協(xié)作波束賦形的安全通信已被提 出。隨著安全通信的發(fā)展，為了提高頻譜效率，網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景被擴(kuò)展到了雙向中繼網(wǎng)絡(luò)。并且在 雙向網(wǎng)絡(luò)中已提出關(guān)于安全通信的次優(yōu)的方案，例如，當(dāng)已知竊聽者信道狀態(tài)信息時(shí)的零 空間協(xié)作波束賦形和當(dāng)未知竊聽者信道狀態(tài)信息時(shí)的人工噪聲方案。但是以上方案中的優(yōu) 化目標(biāo)都是和速率而不是安全和速率。基于此又提出了在源節(jié)點(diǎn)傳輸功率限制的零空間波 束賦形的一般方案的研究，優(yōu)化準(zhǔn)則為安全和速率。但是以上研究只適合存在一個(gè)竊聽者 的場(chǎng)景。另外，在放大轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中提出了一種次優(yōu)的聯(lián)合協(xié)作波束賦形和人工噪 聲的方案，該方案可以獲得較高的安全和速率。
[0004] 綜上所述，在放大轉(zhuǎn)發(fā)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中，關(guān)于安全通信的線性方案的研究是很有 必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò) 中安全協(xié)作波束賦形的方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束的賦 形，顯著降低竊聽者竊取正當(dāng)用戶的信息概率，提高安全通信的頻譜效率。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的方 法包括以下步驟：
[0007] 包括以下步驟：
[0008] 1)在放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中，第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)及第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T2通過(guò)一組中 繼Rn交換信息，竊聽者Ek是被動(dòng)的，并且試圖非法竊聽第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)T:和第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T^ 處的信息，其中，n= 1，2, . . .，N，k= 1，2, . . .，K，N為中繼總數(shù)，K為竊聽者的數(shù)量，則第 一個(gè)源節(jié)點(diǎn)1\處可達(dá)信息速度Ii、第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)1~2處可達(dá)信息速度I2以及竊聽者Ek處可 達(dá)信息速率4分別為

【權(quán)利要求】
1. 一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束賦形的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 在放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中，第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)T1及第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T2通過(guò)一組中繼Rn 交換信息，竊聽者Ek是被動(dòng)的，并且試圖非法竊聽第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)T i和第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T 2處的 信息，其中，η = 1，2, . . .，N，k = 1，2, . . .，K，N為中繼總數(shù)，K為竊聽者的數(shù)量，則第一個(gè) 源節(jié)點(diǎn)！\處可達(dá)信息速度I i、第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)1~2處可達(dá)信息速度I 2以及竊聽者E k處可達(dá)信 息速率Λ;分別為
其中P1為第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)T i的平均發(fā)射功率，P 2為第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T 2的平 均發(fā)射功率，w為波束賦形矩陣，為第一個(gè)源節(jié)點(diǎn)T i到所有中繼的信道， fE到第一源節(jié)點(diǎn)T i到竊聽者的信道，g ,為第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T 2到所有中繼的信 道，gE為第二個(gè)源節(jié)點(diǎn)T 2到竊聽者的信道，C A中繼到竊聽者的準(zhǔn)靜態(tài)衰落 系數(shù)，Ciii .為中繼到第k個(gè)竊聽者的準(zhǔn)靜態(tài)衰落系數(shù)，|2 +巧|g￡j |2+1，
2) 則根據(jù)安全和速率最大化準(zhǔn)則構(gòu)建單個(gè)中繼功率控制的優(yōu)化問(wèn)題即
其中，χκ為中繼對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行波束賦形并加入人工噪聲后的信號(hào)，&1=巧/#， Pk為所有中繼的總功率，然后將式（9)、式（10)及式（11)帶入Ql中，得
S.t\xHRXR\n SPr^TL 其中，Q2為一個(gè)非凸問(wèn)題，將Q2轉(zhuǎn)化為半正定規(guī)劃問(wèn)題，并通過(guò)迭代的方法得到最優(yōu) 的矩陣，其中所述最優(yōu)的矩陣滿足rank(X()pt) = 1，再根據(jù)所述的最優(yōu)的矩陣1_得 最優(yōu)安全和速率，然后根據(jù)所述最優(yōu)的安全和速率進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作 波束的賦形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)中安全協(xié)作波束 賦形的方法，其特征在于，設(shè) B1= R ff+P2Rfg，B2= R ^P1Rfg, Bv. =Rvi， O1 =l + fxSfA， σ2 = l + g^Lgjj j σ3?: + ，C 1= R ff，C2= R gg 和 c3i- + Vi，則優(yōu)化問(wèn)題Q2可表達(dá)為 H 一 I H 一
? ? 令X = w/，則優(yōu)化問(wèn)題Q3可以化簡(jiǎn)為：
x^O, rank{X} = 1. 由于優(yōu)化問(wèn)題Q4的目標(biāo)函數(shù)為兩個(gè)凸函數(shù)的差，所以優(yōu)化問(wèn)題Q4為非凸問(wèn)題，對(duì)優(yōu)化 問(wèn)題^^的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行線性近似:令丨叩⑷）=^^,) + +…-/^」· = !』』!^^,。 是泰勒展開的初值，移去優(yōu)化問(wèn)題Q4中的秩1限制，則優(yōu)化問(wèn)題Q4,可簡(jiǎn)化為：
當(dāng)β」,(!= β時(shí)，l〇g(@ P的一階泰勒展開為真正的泰勒展開，優(yōu)化問(wèn)題Q5進(jìn)一步 化簡(jiǎn)為 06: min τ Wa\，a2，a3k :β\，β?，β·}>]? $ s. t. - (log ( α D +log ( α 2) +log ( α 3k)) +1^+1:2+1^< = τ
優(yōu)化問(wèn)題Q6為步驟2)中的半正定規(guī)劃問(wèn)題。
【文檔編號(hào)】H04B7/15GK104519499SQ201410803788
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】李國(guó)兵, 張藝珍, 呂剛明, 張國(guó)梅 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)