[发明专利]一种MIMO放大转发中继网络的信号安全传输方法

摘要

本发明提出了一种MIMO放大转发中继网络的信号安全传输方法，在设计预编码矩阵时，采用了GSVD‑ZF‑SVD的联合策略，使得系统并行化，简化了系统安全速率的表达形式，在功率约束的条件下求解一个最优化问题。在进行功率分配的时候，原问题的非凸性使得直接求解很难进行，采用交替迭代优化的方式，每一个子问题都能得到唯一的最优解，并且最终交替迭代能够得到一个收敛点。本发明考虑了发送节点端和中继节点的联合预编码，利用GSVD‑ZF‑SVD方法，将信道并行化，简化了问题的分析难度；并对功率分配进行了优化；计算复杂度较低。

主权项

一种MIMO放大转发中继网络的信号安全传输方法，其特征在于，所述MIMO放大转发中继网络包括一个发送节点，一个中继节点，一个窃听节点以及一个接收节点，各个节点都配备有多天线，天线数目分别为NA,NR,NE,NB；所述信号安全传输方法包括以下步骤：1)第一阶段，发送节点对发送信息进行线性预编码，中继节点和窃听节点接收到发送节点发射的信息分别为：其中HAR,HAE是发送节点到中继节点和窃听节点的信道矩阵，F是发送节点线性预编码矩阵，s是发送节点发射信息矢量，协方差矩阵为nR和分别为第一阶段中继节点和窃听节点处的加性高斯噪声矢量，两者的协方差矩阵均为yR和分别为第一阶段中继节点和窃听节点的接收信号矢量；2)第二阶段，中继节点将接收到的信号，进行放大转发，预编码矩阵为W，接收节点和窃听节点接收到的信息分别为：yB=HRBWHARFs+HRBWnR+nB,yE(2)=HREWHARFs+HREWnR+nE(2).]]>其中HRB,HRE是中继节点到接收节点和窃听节点的信道矩阵，nB和分别为第二阶段接收节点和窃听节点处的加性高斯白噪声，两者的协方差矩阵均为yB和分别为第二阶段接收节点和窃听节点的接收信号矢量；等效的窃听节点接收信息为：yE=yE(1)yE(2)=HEs+nE,HE=HAEFHREWHARF,nE=nE(1)HREWnR+nE(2)]]>3)在功率约束下，最大化安全传输的速率，即最优化功率分配，实现最大的安全速率：Rs＝max(I(yB；s)‑I(yE；s))+s.t.σs2tr(FFH)≤P1]]>tr(σs2WHARFFHHARHWH+σn2WWH)≤P2]]>得到发送节点和中继节点的预编码矩阵的步骤包括：首先对信道矩阵HAR,HAE进行广义奇异值分解得到：HAR＝UΛARΦHAE＝VΛAEΦ其中Φ＝RΨH是一个NA×NA的非奇异矩阵，U,V是酉矩阵，ΛAR和ΛAE为：ΛAR=00DAR00Iq×qNR×M]]>ΛAE=DAE000(NE-s)×qNE×M]]>其中q+s＝NA,K＝NA＝M，DAR＝diag(dAR,1，dAR,2，…，dAR,s),DAE＝diag(dAE,1，dAE,2，…，dAE,s)，其中dAR,i升序排列，dAE,i降序排列；设计发端预编码矩阵为：F=ΨR-1||R-1||Pa]]>其中R‑1为R的逆矩阵；设中继节点到合法用户信道矩阵的奇异值分解为设计预编码矩阵W使得窃听节点在第二阶段接收不到任何信息，即令是HRE零空间的投影矩阵，使得HREW＝0；然后利用奇异值分解，设计中继预编码矩阵为W‾=V‾PrUH]]>W=HRE⊥V‾PrUH]]>其中，这样就完成了发送节点和中继节点的预编码矩阵的设计；利用广义奇异值分解和奇异值分解，将信道转化为K路平行窃听子信道，Pa,k表示发送节点处第k路平行子信道的发射功率，Pr,k表示中继节点处第k路平行子信道的发射功率；步骤3)中得到安全速率及其功率约束为：maxpa,k,pr,kRs=12Σk=1K[log(1+ρ‾pr,kpa,kλRB,k2d‾AR,k21+pr,kλRB,k2)-log(1+ρ‾pa,kd‾AE,k2)]]]>s.t.PA=σs2Σk=1Kpa,k≤P1]]>PR=σn2Σk=1K(ρ‾pr,kpa,kd‾AR,k2+pr,k)≤P2]]>其中P1,P2分别是发送节点和中继节点的总功率，分别是的第k个对角元素；对安全速率及其功率约束采用交替迭代求解的方法；首先进行变量代换对上述优化问题进行变形，当给定zk，优化rk得到优化问题为：maxrkΣk=1Klog(1+λRB,k2rk1+λRB,k2rk+ρ‾d‾AR,k2zk)]]>s.t.Σk=1Krk≤P‾2,rk≥0,k=1,2,...,K]]>其解为rk*(v)=12λRB,k2[(ρ‾d‾AR,k2zk)2+4ρ‾d‾AR,k2zkλRB,k2v-ρ‾d‾AR,k2zk-2]+]]>其中[x]+表示取x和0之间的较大者，变量ν需要满足下式Σk=1Krk*(v)=P‾2]]>当固定rk，优化zk，得到优化问题为maxzkΣk=1K[log(1+akzk1+bk+ckzk)-log(1+ckzk)]]]>s.t.Σk=1Kzk≤P‾1,zk≥0,k=1,2,...,K.]]>