魯棒的雙向多中繼物理層如何進行安全傳輸詳細方案說明

　　針對雙向多中繼系統物理層安全傳輸無法獲取竊聽者的精確信道狀態信息（ CSI）的問題，提出魯棒的多中繼協作波束形成和人工噪聲聯合物理層安全傳輸方案，以最大化系統總功率約束下信道狀態“最差情況”時的安全總速率。在該方案中，待求解的問題是一個復雜的非凸優化問題。采用交替迭代和連續凸近似（ SCA）方法，對波束形成向量、人工噪聲協方差矩陣和源節點發射功率進行交替優化迭代，得到了問題的優化解。仿真實驗驗證了所提方案的有效性，并表明該方案具有更優的安全性能。

　　保障無線傳輸過程中信息的安全是無線通信面臨的一個核心問題。近年來，以信息論安全為基礎的物理層安全技術得到了廣泛的關注。物理層安全利用無線信道的傳輸特性，直接在無線通信系統的物理層保證信息的安全傳輸，具有更強的針對性。協作中繼技術是一項重要的提高無線傳輸物理層安全性能的技術。通過多個中繼節點間的協作，利用協作波束形成（Cooperative Beamforming，CB）方法和協作人工干擾（Cooperative Jamming，CJ）方法，分別用于提高合法用戶的接收信號、降低竊聽方的接收信號的信噪比（ Signal-to-Noise Ratio，SNR），從而有效地提高物理層安全性。

　　本文重點研究雙向多中繼系統中的物理層安全傳輸技術。研究了放大轉發（Amplify-and-Forward，AF）雙向多中繼網絡中的協作波束形成技術，期望最優化系統的安全和速率（ Secrecy Sum Rate，SSR）；但是該問題是一個非凸優化問題，難以求解。因此提出了迫零協作波束形成方案以簡化問題，并給出一種迭代優化算法優化中繼節點的波束形成向量和源節點的功率分配；這種方案雖然有效地降低了計算復雜度，然而如文獻［8］指出的，當竊聽方接收天線數增加到中繼節點數時，迫零方案的性能將急劇下降。為了克服這一缺點，協作干擾技術p -10］通過協作節點發射人工干擾信號阻礙竊聽者，來進一步提高物理層安全性能。提出了雙向多中繼系統中的混合波束形成與協作干擾技術，將部分協作節點用于轉發信息，而另外一部分用于發射人工噪聲干擾竊聽方，顯著地提高了安全性能。

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