【摘要】：在存在多天線竊聽(tīng)者的情況下,研究了無(wú)線攜能通信系統(tǒng)的物理層安全傳輸問(wèn)題。傳統(tǒng)上,人工噪聲方案是一種保證物理層安全通信的有效策略,提出了一種人工噪聲輔助的波束成形算法,以提高信息與能量聯(lián)合傳輸?shù)陌踩�。該算法在滿足多項(xiàng)約束(接收端能量采集門限、信息泄露控制指標(biāo)和發(fā)送功率)的基礎(chǔ)上,通過(guò)優(yōu)化波束成形預(yù)編碼矩陣和人工噪聲實(shí)現(xiàn)無(wú)線攜能通信系統(tǒng)的物理層安全通信。在數(shù)學(xué)上該算法是一個(gè)非凸優(yōu)化問(wèn)題,不易求解。為此,首先引入最小均方誤差接收算法和連續(xù)凸近似方法將其轉(zhuǎn)換為凸的二階錐規(guī)劃子問(wèn)題,然后對(duì)該凸問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。仿真結(jié)果表明,該算法能夠在保證竊聽(tīng)者無(wú)法解碼信息的同時(shí),實(shí)現(xiàn)信息和能量的聯(lián)合傳輸,并且算法收斂速度快。
【圖文】：

∈［0，1］，C0，C2#(13)問(wèn)題式(13)是非凸的，可以采用與問(wèn)題式(11)一樣的方法將其寫(xiě)成一個(gè)二階錐規(guī)劃問(wèn)題并用CVX求解。3仿真結(jié)果本文利用MATLAB對(duì)所提算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。設(shè)置發(fā)送端天線數(shù)NT=2，接收端和竊聽(tīng)者的天線數(shù)NB=NE=2，能量轉(zhuǎn)換系數(shù)η=0．5，發(fā)送端的最大發(fā)送功率P=1W以及信息解碼電路的加性噪聲σ2=10－8W。為方便起見(jiàn)，設(shè)定傳播常數(shù)α=1，陰影衰落Ci=1，路徑損耗指數(shù)r=2。此外，假設(shè)從發(fā)送端到接收端的距離D1=50m和到竊聽(tīng)者的距離D2=1m［6］。圖2給出了三種場(chǎng)景下接收端的傳輸速率與采集的能量之間的變化關(guān)系。其中，算法對(duì)應(yīng)于本文提出的啟發(fā)式算法，參考1對(duì)應(yīng)于接收端在不用功率分裂或時(shí)間切換接收機(jī)的情況下同時(shí)解碼信息和收集能量的理想情況，參考2對(duì)應(yīng)于竊聽(tīng)者不存在的理想情況［10］。從仿真結(jié)果中可以看出，隨著所要求采集的能量從0．1mW增加到1mW，，算法中接收端的傳輸速率從5．2bps/Hz減小到3bps/Hz，參考1中接收端的傳輸速率從5．8bps/Hz減小到3．9bps/Hz，而參考2中接收端的傳輸速率從5．3bps/Hz減小到3．2bps/Hz。值得注意的是，算法與參考2幾乎一樣，即無(wú)論竊聽(tīng)者是否存在，本文提出的算法都可以實(shí)現(xiàn)最大化接收端傳輸速率與采集能量的折中。圖3給出了傳輸速率與信息泄露量之間的關(guān)系。從仿真結(jié)果中可以看出，隨著信息泄露控制的指標(biāo)條件從0．02放寬到0．2，算法中接收端的傳輸速率從2．65bps/Hz增加到5．2bps/Hz，參考3中竊聽(tīng)者的傳輸速率從0．0198bps/Hz增加到0．1823bps/Hz，而參考2(竊聽(tīng)者不存在)中接收端的傳輸速率保持5．3bps/Hz不變。同時(shí)，接收端傳輸速率與竊聽(tīng)者傳輸速率的差值，即系統(tǒng)的保密能力［8］隨著信息泄露量的變大

⑹剿惴ǎ?參考1對(duì)應(yīng)于接收端在不用功率分裂或時(shí)間切換接收機(jī)的情況下同時(shí)解碼信息和收集能量的理想情況，參考2對(duì)應(yīng)于竊聽(tīng)者不存在的理想情況［10］。從仿真結(jié)果中可以看出，隨著所要求采集的能量從0．1mW增加到1mW，算法中接收端的傳輸速率從5．2bps/Hz減小到3bps/Hz，參考1中接收端的傳輸速率從5．8bps/Hz減小到3．9bps/Hz，而參考2中接收端的傳輸速率從5．3bps/Hz減小到3．2bps/Hz。值得注意的是，算法與參考2幾乎一樣，即無(wú)論竊聽(tīng)者是否存在，本文提出的算法都可以實(shí)現(xiàn)最大化接收端傳輸速率與采集能量的折中。圖3給出了傳輸速率與信息泄露量之間的關(guān)系。從仿真結(jié)果中可以看出，隨著信息泄露控制的指標(biāo)條件從0．02放寬到0．2，算法中接收端的傳輸速率從2．65bps/Hz增加到5．2bps/Hz，參考3中竊聽(tīng)者的傳輸速率從0．0198bps/Hz增加到0．1823bps/Hz，而參考2(竊聽(tīng)者不存在)中接收端的傳輸速率保持5．3bps/Hz不變。同時(shí)，接收端傳輸速率與竊聽(tīng)者傳輸速率的差值，即系統(tǒng)的保密能力［8］隨著信息泄露量的變大呈上升趨勢(shì)。圖4表示的是人工噪聲和波束成形分別占發(fā)送端總發(fā)射功率百分比與發(fā)送端天線數(shù)的變化關(guān)系。從仿真結(jié)果中可以看出，隨著發(fā)送端天線數(shù)從2增加到10，人工噪聲所消耗功率百分比從31%下降到18%，而波束成形所消耗功率百分比從69%上升到82%。這是因?yàn)榘l(fā)射天線數(shù)增加允許發(fā)送端控制其天線波束指向接收端，從而對(duì)人工噪聲的依賴校圖5表示的是在不同的發(fā)送天線數(shù)時(shí)該算法的收斂性。不難看出，無(wú)論發(fā)送天線數(shù)目多少，接收端的傳輸速率在前10次迭代都會(huì)顯著增加，并且在20次迭代內(nèi)可以達(dá)到最大值。因此，本文提出的算法能夠快速收斂。4結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種人工噪聲輔助的波束成形算法，以解決無(wú)線攜能通信系統(tǒng)中
【作者單位】： 西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2015DFT10160)
【分類號(hào)】：TN918.91

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2 傅洪亮;

本文編號(hào)：2520435