魯棒的雙向多中繼物理層如何進(jìn)行安全傳輸詳細(xì)方案說明

　　針對雙向多中繼系統(tǒng)物理層安全傳輸無法獲取竊聽者的精確信道狀態(tài)信息（ CSI）的問題，提出魯棒的多中繼協(xié)作波束形成和人工噪聲聯(lián)合物理層安全傳輸方案，以最大化系統(tǒng)總功率約束下信道狀態(tài)“最差情況”時的安全總速率。在該方案中，待求解的問題是一個復(fù)雜的非凸優(yōu)化問題。采用交替迭代和連續(xù)凸近似（ SCA）方法，對波束形成向量、人工噪聲協(xié)方差矩陣和源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率進(jìn)行交替優(yōu)化迭代，得到了問題的優(yōu)化解。仿真實驗驗證了所提方案的有效性，并表明該方案具有更優(yōu)的安全性能。

　　保障無線傳輸過程中信息的安全是無線通信面臨的一個核心問題。近年來，以信息論安全為基礎(chǔ)的物理層安全技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。物理層安全利用無線信道的傳輸特性，直接在無線通信系統(tǒng)的物理層保證信息的安全傳輸，具有更強(qiáng)的針對性。協(xié)作中繼技術(shù)是一項重要的提高無線傳輸物理層安全性能的技術(shù)。通過多個中繼節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，利用協(xié)作波束形成（Cooperative Beamforming，CB）方法和協(xié)作人工干擾（Cooperative Jamming，CJ）方法，分別用于提高合法用戶的接收信號、降低竊聽方的接收信號的信噪比（ Signal-to-Noise Ratio，SNR），從而有效地提高物理層安全性。

　　本文重點(diǎn)研究雙向多中繼系統(tǒng)中的物理層安全傳輸技術(shù)。研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）雙向多中繼網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作波束形成技術(shù)，期望最優(yōu)化系統(tǒng)的安全和速率（ Secrecy Sum Rate，SSR）；但是該問題是一個非凸優(yōu)化問題，難以求解。因此提出了迫零協(xié)作波束形成方案以簡化問題，并給出一種迭代優(yōu)化算法優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)的波束形成向量和源節(jié)點(diǎn)的功率分配；這種方案雖然有效地降低了計算復(fù)雜度，然而如文獻(xiàn)［8］指出的，當(dāng)竊聽方接收天線數(shù)增加到中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)時，迫零方案的性能將急劇下降。為了克服這一缺點(diǎn)，協(xié)作干擾技術(shù)p -10］通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)發(fā)射人工干擾信號阻礙竊聽者，來進(jìn)一步提高物理層安全性能。提出了雙向多中繼系統(tǒng)中的混合波束形成與協(xié)作干擾技術(shù)，將部分協(xié)作節(jié)點(diǎn)用于轉(zhuǎn)發(fā)信息，而另外一部分用于發(fā)射人工噪聲干擾竊聽方，顯著地提高了安全性能。

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