鲁棒的双向多中继物理层如何进行安全传输详细方案说明

　　针对双向多中继系统物理层安全传输无法获取窃听者的精确信道状态信息（ CSI）的问题，提出鲁棒的多中继协作波束形成和人工噪声联合物理层安全传输方案，以最大化系统总功率约束下信道状态“最差情况”时的安全总速率。在该方案中，待求解的问题是一个复杂的非凸优化问题。采用交替迭代和连续凸近似（ SCA）方法，对波束形成向量、人工噪声协方差矩阵和源节点发射功率进行交替优化迭代，得到了问题的优化解。仿真实验验证了所提方案的有效性，并表明该方案具有更优的安全性能。

　　保障无线传输过程中信息的安全是无线通信面临的一个核心问题。近年来，以信息论安全为基础的物理层安全技术得到了广泛的关注。物理层安全利用无线信道的传输特性，直接在无线通信系统的物理层保证信息的安全传输，具有更强的针对性。协作中继技术是一项重要的提高无线传输物理层安全性能的技术。通过多个中继节点间的协作，利用协作波束形成（Cooperative Beamforming，CB）方法和协作人工干扰（Cooperative Jamming，CJ）方法，分别用于提高合法用户的接收信号、降低窃听方的接收信号的信噪比（ Signal-to-Noise Ratio，SNR），从而有效地提高物理层安全性。

　　本文重点研究双向多中继系统中的物理层安全传输技术。研究了放大转发（Amplify-and-Forward，AF）双向多中继网络中的协作波束形成技术，期望最优化系统的安全和速率（ Secrecy Sum Rate，SSR）；但是该问题是一个非凸优化问题，难以求解。因此提出了迫零协作波束形成方案以简化问题，并给出一种迭代优化算法优化中继节点的波束形成向量和源节点的功率分配；这种方案虽然有效地降低了计算复杂度，然而如文献［8］指出的，当窃听方接收天线数增加到中继节点数时，迫零方案的性能将急剧下降。为了克服这一缺点，协作干扰技术p -10］通过协作节点发射人工干扰信号阻碍窃听者，来进一步提高物理层安全性能。提出了双向多中继系统中的混合波束形成与协作干扰技术，将部分协作节点用于转发信息，而另外一部分用于发射人工噪声干扰窃听方，显著地提高了安全性能。