全双工能量受限中继网络的安全波束成形设计
发布时间：2020-12-21 01:36
为了解决全双工能量受限中继网络的无线物理层安全问题,提出了一种基于能量和信息联合传输的安全波束成形方法.在满足中继节点和能量收集节点收集能量的约束条件下,通过联合优化能量信号协方差矩阵、波束成形矩阵和功率分配因子,实现了系统安全速率最大化.目标问题是非凸的,采用分步优化方法将原始问题转化为2个子问题.将第1个子问题转化为双层优化问题,外层优化问题采用一维搜索求解,内层优化问题采用半定松弛技术解决;然后通过一维搜索得到第2个子问题的最优解.仿真结果表明,提出的方法显著提高了系统的安全速率.
【文章来源】：北京邮电大学学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
全双工能量受限中继网络
图3给出了在中继节点所需能量的最小值变化时3种方法安全速率的比较．从图中可以看出，当PR,min≤30 dB时，3种方法的安全速率均没有变化，本文提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法．其原因在于中继节点转发数据所需的能量较小，不会对目的节点的信干噪比造成影响，且中继采用全双工工作方式可以从自干扰信号中收集能量提高了中继节点收集能量的效率．当PR,min≥30 d B时，3种方法的安安全性能均有所降低．这是因为中继节点收集能量较多使中继转发信号的功率较少，降低了目的节点的信干噪比，从而降低了系统的安全速率．图4给出了在能量收集节点C所需能量最小值变化时3种方法安全速率的比较．从比较的结果可以看出，随着能量收集节点C所需能量的最小值不断增大，所提出的方法的安全性能微弱的减小，而其他2种方法的安全性能急剧减小．随着能量收集节点C所需能量最小值的增大，所提出方法的优势越来越明显．这表明在中继处发射能量信号有利于能量收集节点收集能量．此外，采用本文所提出方法，在系统中增加能量收集节点对系统的安全速率影响非常小，而其他2种方法对系统的安全速率产生的影响很大．
图2给出了在源节点功率变化时3种方法安全速率的比较．从实验结果可以看出，随着源节点发射功率的增加，3种方法的安全速率均增加．当PA=35 dB时，所提出的方法比人工噪声方法和无噪声方法分别高出0.506 6 dBm和0.646 5 dBm．在源节点发射功率较小时，人工噪声方法和无噪声方法的性能相近，但人工噪声方法略微优于无人工噪声方法．这表明在源节点发射功率较小时应该将大部分功率用于转发数据，系统的安全速率才能提高．观察图2可以看出，所提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法，并且其优势随着源节点的发射功率增大而增大．人工噪声方法与无噪声方法相比，提高的幅度不大，这是因为中继发射人工噪声干扰窃听节点的同时也降低了目的节点的信干燥比，而本文提出的方法在显著降低窃听信道质量的同时不会对合法信道造成影响．图3给出了在中继节点所需能量的最小值变化时3种方法安全速率的比较．从图中可以看出，当PR,min≤30 dB时，3种方法的安全速率均没有变化，本文提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法．其原因在于中继节点转发数据所需的能量较小，不会对目的节点的信干噪比造成影响，且中继采用全双工工作方式可以从自干扰信号中收集能量提高了中继节点收集能量的效率．当PR,min≥30 d B时，3种方法的安安全性能均有所降低．这是因为中继节点收集能量较多使中继转发信号的功率较少，降低了目的节点的信干噪比，从而降低了系统的安全速率．
【参考文献】：
期刊论文
[1]多天线中继系统中人工噪声辅助的安全波束成形[J]. 张立健,金梁,刘璐,罗文宇. 通信学报. 2014(11)
本文编号：2928938
【文章来源】：北京邮电大学学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
全双工能量受限中继网络
图3给出了在中继节点所需能量的最小值变化时3种方法安全速率的比较．从图中可以看出，当PR,min≤30 dB时，3种方法的安全速率均没有变化，本文提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法．其原因在于中继节点转发数据所需的能量较小，不会对目的节点的信干噪比造成影响，且中继采用全双工工作方式可以从自干扰信号中收集能量提高了中继节点收集能量的效率．当PR,min≥30 d B时，3种方法的安安全性能均有所降低．这是因为中继节点收集能量较多使中继转发信号的功率较少，降低了目的节点的信干噪比，从而降低了系统的安全速率．图4给出了在能量收集节点C所需能量最小值变化时3种方法安全速率的比较．从比较的结果可以看出，随着能量收集节点C所需能量的最小值不断增大，所提出的方法的安全性能微弱的减小，而其他2种方法的安全性能急剧减小．随着能量收集节点C所需能量最小值的增大，所提出方法的优势越来越明显．这表明在中继处发射能量信号有利于能量收集节点收集能量．此外，采用本文所提出方法，在系统中增加能量收集节点对系统的安全速率影响非常小，而其他2种方法对系统的安全速率产生的影响很大．
图2给出了在源节点功率变化时3种方法安全速率的比较．从实验结果可以看出，随着源节点发射功率的增加，3种方法的安全速率均增加．当PA=35 dB时，所提出的方法比人工噪声方法和无噪声方法分别高出0.506 6 dBm和0.646 5 dBm．在源节点发射功率较小时，人工噪声方法和无噪声方法的性能相近，但人工噪声方法略微优于无人工噪声方法．这表明在源节点发射功率较小时应该将大部分功率用于转发数据，系统的安全速率才能提高．观察图2可以看出，所提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法，并且其优势随着源节点的发射功率增大而增大．人工噪声方法与无噪声方法相比，提高的幅度不大，这是因为中继发射人工噪声干扰窃听节点的同时也降低了目的节点的信干燥比，而本文提出的方法在显著降低窃听信道质量的同时不会对合法信道造成影响．图3给出了在中继节点所需能量的最小值变化时3种方法安全速率的比较．从图中可以看出，当PR,min≤30 dB时，3种方法的安全速率均没有变化，本文提出的方法的安全速率明显高于其他2种方法．其原因在于中继节点转发数据所需的能量较小，不会对目的节点的信干噪比造成影响，且中继采用全双工工作方式可以从自干扰信号中收集能量提高了中继节点收集能量的效率．当PR,min≥30 d B时，3种方法的安安全性能均有所降低．这是因为中继节点收集能量较多使中继转发信号的功率较少，降低了目的节点的信干噪比，从而降低了系统的安全速率．
【参考文献】：
期刊论文
[1]多天线中继系统中人工噪声辅助的安全波束成形[J]. 张立健,金梁,刘璐,罗文宇. 通信学报. 2014(11)
本文编号：2928938
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