无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

发布时间：2019-07-29 10:10

【摘要】：在存在多天线窃听者的情况下,研究了无线携能通信系统的物理层安全传输问题。传统上,人工噪声方案是一种保证物理层安全通信的有效策略,提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法,以提高信息与能量联合传输的安全性。该算法在满足多项约束(接收端能量采集门限、信息泄露控制指标和发送功率)的基础上,通过优化波束成形预编码矩阵和人工噪声实现无线携能通信系统的物理层安全通信。在数学上该算法是一个非凸优化问题,不易求解。为此,首先引入最小均方误差接收算法和连续凸近似方法将其转换为凸的二阶锥规划子问题,然后对该凸问题进行迭代求解。仿真结果表明,该算法能够在保证窃听者无法解码信息的同时,实现信息和能量的联合传输,并且算法收敛速度快。
【图文】：

∈［0，1］，C0，C2#(13)问题式(13)是非凸的，可以采用与问题式(11)一样的方法将其写成一个二阶锥规划问题并用CVX求解。3仿真结果本文利用MATLAB对所提算法进行了仿真验证。设置发送端天线数NT=2，接收端和窃听者的天线数NB=NE=2，能量转换系数η=0．5，发送端的最大发送功率P=1W以及信息解码电路的加性噪声σ2=10－8W。为方便起见，设定传播常数α=1，阴影衰落Ci=1，路径损耗指数r=2。此外，假设从发送端到接收端的距离D1=50m和到窃听者的距离D2=1m［6］。图2给出了三种场景下接收端的传输速率与采集的能量之间的变化关系。其中，算法对应于本文提出的启发式算法，参考1对应于接收端在不用功率分裂或时间切换接收机的情况下同时解码信息和收集能量的理想情况，参考2对应于窃听者不存在的理想情况［10］。从仿真结果中可以看出，随着所要求采集的能量从0．1mW增加到1mW，，算法中接收端的传输速率从5．2bps/Hz减小到3bps/Hz，参考1中接收端的传输速率从5．8bps/Hz减小到3．9bps/Hz，而参考2中接收端的传输速率从5．3bps/Hz减小到3．2bps/Hz。值得注意的是，算法与参考2几乎一样，即无论窃听者是否存在，本文提出的算法都可以实现最大化接收端传输速率与采集能量的折中。图3给出了传输速率与信息泄露量之间的关系。从仿真结果中可以看出，随着信息泄露控制的指标条件从0．02放宽到0．2，算法中接收端的传输速率从2．65bps/Hz增加到5．2bps/Hz，参考3中窃听者的传输速率从0．0198bps/Hz增加到0．1823bps/Hz，而参考2(窃听者不存在)中接收端的传输速率保持5．3bps/Hz不变。同时，接收端传输速率与窃听者传输速率的差值，即系统的保密能力［8］随着信息泄露量的变大

无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

⑹剿惴ǎ?参考1对应于接收端在不用功率分裂或时间切换接收机的情况下同时解码信息和收集能量的理想情况，参考2对应于窃听者不存在的理想情况［10］。从仿真结果中可以看出，随着所要求采集的能量从0．1mW增加到1mW，算法中接收端的传输速率从5．2bps/Hz减小到3bps/Hz，参考1中接收端的传输速率从5．8bps/Hz减小到3．9bps/Hz，而参考2中接收端的传输速率从5．3bps/Hz减小到3．2bps/Hz。值得注意的是，算法与参考2几乎一样，即无论窃听者是否存在，本文提出的算法都可以实现最大化接收端传输速率与采集能量的折中。图3给出了传输速率与信息泄露量之间的关系。从仿真结果中可以看出，随着信息泄露控制的指标条件从0．02放宽到0．2，算法中接收端的传输速率从2．65bps/Hz增加到5．2bps/Hz，参考3中窃听者的传输速率从0．0198bps/Hz增加到0．1823bps/Hz，而参考2(窃听者不存在)中接收端的传输速率保持5．3bps/Hz不变。同时，接收端传输速率与窃听者传输速率的差值，即系统的保密能力［8］随着信息泄露量的变大呈上升趋势。图4表示的是人工噪声和波束成形分别占发送端总发射功率百分比与发送端天线数的变化关系。从仿真结果中可以看出，随着发送端天线数从2增加到10，人工噪声所消耗功率百分比从31%下降到18%，而波束成形所消耗功率百分比从69%上升到82%。这是因为发射天线数增加允许发送端控制其天线波束指向接收端，从而对人工噪声的依赖校图5表示的是在不同的发送天线数时该算法的收敛性。不难看出，无论发送天线数目多少，接收端的传输速率在前10次迭代都会显著增加，并且在20次迭代内可以达到最大值。因此，本文提出的算法能够快速收敛。4结束语本文提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法，以解决无线携能通信系统中
【作者单位】：西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室;
【基金】：港澳台科技合作专项资助项目(2015DFT10160)
【分类号】：TN918.91

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