一种mimo通信系统的鲁棒性安全设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线能量传输和无线通信技术领域，特别涉及基于信息能量同步传输 的下行ΜΙΜΟ通信系统的鲁棒性安全设计方法。
【背景技术】
[0002] 当前高速无线通信的爆发式增长提高了对通信网络的能量需求。而移动终端往往 是由能量存储受限的电池供给能量，这就造成了网络的生命周期存在瓶颈。因此，具有能量 收集功能的通信设备被认为是为能量受限的通信系统提供自我可持续发展的一个很有前 途的替代。在实际中，有许多再生能源可用来进行能量收集，包括太阳能、潮汐、地热、风能 等。然而，这些能量源往往受地理位置、天气、气候等的限制，并不总能适用于室内或封闭的 环境以及移动终端等。另一方面，接收端从无线电频谱的电磁波中收集能量的无线电传输 技术得到了工业界和学术界的极大关注，也就是说周围的无线电信号（即：RF)可以作为 新的能量收集来源。因此，利用RF信号进行无线信息和能量的同步传输被认为是延长网络 生命周期的有效方法。
[0003] 由于无线通信网络的开放性，RF信号中携带的合法信息很容易受到恶意窃听者的 窃听。传统上的安全通信方法往往独立于物理层而存在一定的缺陷，即均假定窃听者的计 算能力有限。而物理层安全被认为是对抗具有无限计算能力的窃听者的有限方法。物理层 安全的原则是利用无线衰落信道的物理特性提供完美的保密通信。与此同时，多输入多输 出（即：MHTO)技术作为提高系统容量的有效方法已经被广泛采用，在理论上其系统容量随 着天线数量的增加而线性增长。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决基于信息和能量同步传输的下行ΜΙΜΟ通信系统的安全传 输问题，提出了一种Μπω通信系统的鲁棒性安全设计方法。该方法是在接收者均配置功率 分离器以达到接收端信息解码和能量收集同步实现的目的，且发送端仅已知空闲接收端部 分信道信息情况下的鲁棒性安全设计问题。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种ΜΜ0通信系统的鲁棒性安全 设计方法，该方法基于信息和能量同步传输，包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :对发送端的信息信号采用预编码设计并加入由发送端产生的人工噪声，X =Qs+v，其中
为信息信号，
分别为预编码矩阵和人工噪声向量。
[0007] 步骤2 :针对ΜΜ0系统中发送端仅已知空闲接收者（即：潜在窃听者）的估计信道 信息及其误差半径的情况，优化系统安全容量，利用一阶泰勒近似以及S-Procedure定理 等将求解最坏情况下的安全速率最大化问题近似转化为给定初始点
的SDP问题， 其中
[0008] 步骤3 :初始化彳
，利用凸优化工具包求解转化后的SDP问题并依次迭代、 更新Γ#,?)。每次迭代得到一个新的安全速率，直到安全速率值收敛到一定程度，迭代
停止，并最终给出系统最坏情况下的近似安全速率以及预编码矩阵和人工噪声向量的设计 方法。
[0009] 本发明的发送端已知目的接收端的完美信道信息 空闲接收 端处于非活动状态，发送端仅已知其信道信息的估计值及其估计误差半径，即：
，其中
表示信道估计值，Α 6"表示信道 误差，S "表示信道不确定区域半径；目的接收端和第m个空闲接收端接收到的信号可分别 表不为
> 其中nD，nEm分 别表示服从均值为0,方差为
的复合加性高斯白噪声；在接收端对接收到的 信号经过功率分离器进行分离，一部分用于信息解码，另一部分用于收集能量；目的端的安 全容量表不为
[0014] 分别表示目的接收端的互信息和第m个空闲接收端的互信息；空闲接收端的互信 息是在其接收到的能量全部用来窃听信息的情况下得到的，则一定条件下系统最坏情况下 的安全容量最大化问题表示为：
[0019] 其中，约束，即：式9b表示目的接收端收集到的能量至少要达到riD;约束，即：式 9c表示在第m个空闲接收端仅进行能量收集时，其在存在信道估计误差的情况下的最少能 量收集需求η 式9d表示发送端的最大发送功率约束及功率分离比和人工噪声协方差约 束。
[0020] 本发明初始化任一点
u代入（11)并利用凸优化工具包求出此时最优的 (W，V，t)，得到对应的安全速率值；利用求出的（W，V，t)更新
I，并依次迭代求出新的 初始点及对应的安全速率值；当安全速率值收敛到一个稳定值时，迭代停止，并利用特征值 分解给出最优的预编码矩阵、人工噪声向量及功率分离比。
[0021] 本发明应用于无线通信中带有能量收集需求的下行ΜΜ0通信系统中，在发送端 仅已知窃听端部分信道信息的情况下，延长网络生命周期的同时，提高了系统的安全速率。
[0022] 本发明是针对基于信息和能量同步传输的下行ΜΜ0通信系统，在发送端仅已知 接收端部分信道信息的情况下，能够在保证安全传输的前提下使系统安全速率有很大提 升，同时也提高了系统的能量转移效率。
[0023] 有益效果：
[0024] 1、所有接收端均能收集到一定的能量，促进了系统能量的转移，以补充自身能量 消耗，延长了网络生命周期。
[0025] 2、确保了 ΜΜ0通信系统数据传输的安全性，使存在窃听者的情况下，系统仍然能 够进行安全通信。
[0026] 3、相对于传统设计方法，本发明提高了向目的接收端传递合法信息的系统安全速 率。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明系统模型示意图。
[0028] 图2为接收端结构示意图。
[0029] 图3为本发明的方法流程图。
[0030] 图4为算法收敛情况示意图。
[0031] 图5为本发明与传统方法在不同发送功率下的最坏安全速率比较示意图。
[0032] 图6为本发明与现有方法在不同信道信息不确定度半径下的最坏安全速率比较 示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
[0034] 如图1所示，本发明的下行ΜΜ0通信系统包括：一个配置有Nt根天线的发送端， 多个接收端。接收端分为两种类型：一个配置有^根天线的目的接收端，多个分别配置有 凡根天线的空闲接收端。两种接收端均配置有如图2所示的功率分离器，其将接收到的信 号功率分为两部分：一部分用于信息解码，另一部分用于收集能量。当接收端处于空闲状态 时，其期望于进行能收集能量来补充自身的能量消耗。与此同时，其也可能由于恶意的窃听 发送到目的端的合法信息而成为潜在的窃听者。因此，本发明在发送端采用预编码和加入 人工噪声的方法来提高系统的安全通信容量，同时也提高了系统的能量转移效率。
[0035] 发送端的基带信号可表示为
，其中
为信息信号，
.为发 送信号的预编码矩阵，
为由发送端产生的人工噪声向量且服从均值为零协方差矩 阵为V = vvH。则目的接受端和第m个空闲接收端接收到的信号可分别表示为：
[0038] 其中，nD，ηΕπι分别表示服从均值为0,方差为
的复合加性高斯白噪 声。
[0039] 接收端均配置有功率分离器，其将接受到的功率分为两部分，一部分用于信息解 码，一部分用于能量收集。目的接受端和第m个空闲接收端将接收到的功率用于解码信息 的部分功率分别由p De [0, 1]和p Eme [0, 1]表不，其对应的1_p D和1_p Em部分功率用 于收集能量。因此，用于解码信息的接收信号在接收端可分别等价表示为：
[0042] 其中，<分别表示由信号处理产生的服从均值为零协方差为σ〗Ι(/，σ〗ΙΛ:的 加性高斯白噪声。
[0043] 发送端已知目的接收端的信道状态信息，但空闲接受端由于处于非活动状态，其 信道状态信息很难被接收端完全获得。因此，本发明假定接收端仅已知空闲接收端的部分 信道信息，且其信道不确定度可由以下模型确定：
[0045] 其中：
表示信道估计值，Α 6"表示信道误差，δ "表示信道不确定区域 半径。考虑到空闲接收端可能成为潜在窃听者，则系统在目的接收端的安全容量表示为：
[0050] 分别表示目的接收端的互信息和第m个空闲接收端的互信息。需要说明的是空闲 接收端的互信息是在其接收到的能量全部用来窃听信息的情况下得到的。则一定条件下系 统的安全容量最优化问题可描述为：
[0055] 其中，约束（9b)表示目的接收端收集到的能量至少要达到riD;约束（9c)表示在 第m个空闲接收端仅进行能量收集时，其在存在信道估计误差的情况下的最少能量收集需 求η^(9(1)表示发送端的最大发送功率约束及功率分离比和人工噪声的协方差约束。
[0056] 引入新变量W = QQH及松弛变量t = 1/ P D，β ^ β 2。将待优化问题（9)转化为：
[0063] 对于半无限约束（10e)，其左边可等价表示为：
[0066] 考虑到部分信道状态信息约束（1)并利用S-Procedure定理，约束（1