[发明专利]基于自维持干扰协作的集中式安全波束成形方法

说明书

本发明公开了一种基于自维持干扰协作的集中式安全波束成形方法，以最大化系统平均保密速率的下限作为设计标准，同时考虑了源、中继和干扰器处的发射功率约束，联合设计波束成形向量；首先固定给定的中继和干扰器处波束成形向量，确定源的波束成形向量，然后再对于给定源处的波束成形向量，确定中继和干扰器的波束成形向量，进行交替迭代，得出源、中继和干扰器处的波束成形向量最优解。本发明实现了波束成形向量的优化设计，可以有效提高系统的安全性能，具有较高的平均保密速率。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于自维持干扰协作的集中式安全波束成形方法。

背景技术

近年来，无线供电通信网络因其自维持供电能力而备受关注。在传统的无线网络中，收发机通常由物理嵌入式电池供电，这些电池的充电或更换可能并不方便。这可能引起传统无线网络的背景下的供电问题。例如，在诸如安全或环境检测的一些应用场景中，为了增强安全性或扩大检测区域而部署了许多功率受限的中继器。但是，为这些中继节点更换电池或者充电可能无法实现或者在经济上不切实际。幸运的是，这一问题可以通过新兴的能量收集技术来解决。关于能量收集技术，功率受限的设备可以将环境中的射频信号转换为电流，并且收集的能量可以帮助设备支持更长时间的无线通信。

随着无线通信技术与无线容量需求的增长，安全问题越来越引起人们的关注。方向调制作为一种新型的物理层安全技术，引起了学术界和工业界的广泛关注。与传统的波束成形技术相比，方向调制可以用特定的期望方向发送有用机密信息，同时扰乱其他非期望方向的星座图。在方向调制的应用领域中，Daly和Bernhard通过控制每个阵列元件的相移来调整每个符号的幅度和相位，而后又有研究将人工噪声引入方向调制系统中，证明通过人工噪声投影到期望方向的零空间可以极大地改善系统的保密性能。

尽管大量的文献已经考虑了传统波束成形设计方案中的能量自维持技术以增强物理层安全，同时方向调制技术也被广泛研究以提高物理层安全性，但传统的波束成形方法未考虑人工噪声干扰信息，对于进一步提高物理层安全方面仍有瓶颈。在考虑安全性的传统方向调制系统中，有用信息和人工噪声干扰信息由发射机同时发射，其中以降低有用信号的发射功率为代价发送人工噪声干扰信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自维持干扰协作的集中式安全波束成形方法，以有效提高系统的能效和安全性能。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于自维持干扰协作的集中式安全波束成形方法，包括以下步骤：

初始化给定的中继和干扰器处波束成形向量，对于给定的一组可行的中继处波束成形向量和干扰器处波束成形向量，将最大化系统平均保密速率的下界的原始非凸问题转化成凸优化问题，基于有用信号功率最小化准则和奇异值分解方法，确定源的波束成形向量，包括有用信息波束成形向量和携能信息波束成形向量；

对于给定源处的波束成形向量，以最大化系统平均保密速率的下界为基准，确定中继和干扰器的波束成形向量；

经过多次交替迭代，同时计算源、中继、干扰器处的波束成形向量更新前后系统的平均保密速率之差的绝对值，直到满足终止条件，迭代停止，得出源、中继和干扰器处的波束成形向量最优解。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明相比于传统的方向调制中继网络，在网络中添加自维持干扰机，利用能量收集技术减小整体系统的能量消耗，提高能效，同时降低网络搭建成本；(2)本发明利用有用信息功率最小化准则和奇异值分解方法，将最大化系统平均保密速率的下界的原始非凸问题转化为凸优化问题，使得问题有可解性，能获得源、中继和干扰器处的近似最佳波束成形向量；(3)通过交替迭代结构集中设计源、中继和干扰器处的波束成形向量，并计算对应的平均保密速率的下界，可以保证系统有较高的平均保密速率，使系统的安全性能得到提升，同时实现信息的可靠传输。

附图说明

图1是基于自维持干扰协作的方向调制安全中继网络图。