基于鲁棒波束成形的WSNs可达安全速率研究

针对WSNs节点间通信易受非法节点窃听的问题,提出了鲁棒波束成形噪声发送策略来提高节点间的可达安全速率.假设协作干扰节点只知道其到窃听节点的部分信道状态信息,在最差信道条件下通过优化协作干扰节点的噪声输入协方差矩阵来最大化系统的可达安全速率.为求解此非凸的最大最小化问题,首先通过数学等价转化将该非凸问题转化为半定规划问题,然后设计了一维搜索算法来计算节点间的最优可达安全速率.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

基于人工噪声和SWIET的安全双向中继通信

针对基于解码转发的对称双向中继网络的安全传输问题,提出一种基于人工噪声干扰和信息、能量同时传输技术(SWIET)的物理层安全传输策略.系统采用两时隙传输方案,能量收集节点利用第一时隙收集的能量发射人工噪声干扰,而用户节点和中继分别通过功率分配技术将目的节点先验已知的人工噪声干扰添加到有用信息中,以降低窃听信道的传输质量.建立双向中继网络窃听信道下联合能量收集和无能量收集节点的两种数学模型,推导基于人工噪声干扰的系统保密容量的数学表达式,分别求解两种模型的最大化系统保密容量下最优功率分配因子,并分析了SWIET技术对系统保密容量的增益.仿真结果表明:对应于不同的窃听节点位置,所提出的联合SWIET技术的方案能使双向中继网络保密性能改善3%~90%,且能量收集节点越靠近窃听节点,系统性能越好.     

信息和能量同传全双工中继信道的物理层安全方案

给出一种信息和能量同传中继无线信道中的物理层抗窃听安全传输方案。中继工作于全双工模式,采用放大转发方式转发信号,同时采用信息和能量同传模式从所接收到的射频信号中收集能量,并用于信号的转发。目的节点也为全双工节点,在接收信息的同时发送人工噪声去干扰窃听节点的接收。以最大化系统的保密速率为目标,对中继采用功率分裂方式和时间切换方式时的功率分裂因子、能量收集时间比例因子和信号与人工噪声功率分配因子进行优化。由于无法得到关于最优参数的表达式,因此,采用二维搜索方法来对优化问题进行求解。仿真结果表明,功率分裂因子、能量收集时间比例因子、信号与人工噪声功率分配因子的优化和目的端的协作干扰能显著提高系统的性能。     

信道状态信息存在误差情况下不可信中继系统的功率分配

研究在目的节点进行协作干扰的全双工不可信中继传输系统中,在信道状态信息(channel state information, CSI)存在随机误差的情况下,以最大化系统可达保密速率为目标的功率分配问题。为了研究提高全双工不可信中继传输系统的保密性能的功率分配方案,先推导系统可达保密速率的上界,针对随机信道状态信息的误差再求该保密速率上界的期望,即平均保密速率(average secrecy rate, ASR)。在此基础上,考虑源节点发送信息信号和目的节点发送人工噪声总功率的约束,以最大化ASR为优化目标,通过黄金分割法优化源节点和目的节点的功率分配。仿真结果表明,相比于固定功率分配因子和不考虑随机信道系数误差影响的功率分配方案,考虑信道的随机误差优化功率分配方案能有效提高系统的可达保密速率。     

基于压缩感知的协作系统物理层安全分析

将压缩感知技术引入协作通信系统中研究其物理层安全问题.在多源多中继协作通信系统中,将源节点通过中继节点到目的节点,源节点到窃听节点的信道矩阵作为压缩感知的测量矩阵,目的节点和窃听节点可以采用信号重构算法进行重构.通过系统仿真证明,窃听节点存在对信道估计存在误差,合法目的节点的重构性能优于窃听节点,可以达到安全传输.     

双向中继信道中用户和中继协作干扰管理算法

针对目前提出的大部分双向中继信道中干扰对齐算法得到的结果通常不是系统全局最优解的问题,通过用户协作和中继协作设计预编码矩阵实现干扰对齐算法,优化整个系统的总速率性能.此外,分别通过用户和中继协作功率控制将干扰当作噪声处理,实现双向中继信道中的干扰管理.仿真结果表明:用户协作和中继协作干扰管理算法的系统整体性能都较好,当中继节点发送功率较大时,用户协作模式系统的总速率性能优于中继协作模式的.     

基于协作干扰器的OFDM-CR保密通信系统功率控制

针对OFDM-CR系统中认知收发信机在独立并行高斯窃听信道上的安全通信与功率控制展开研究。以无协作干扰器的OFDM-CR系统为对象,导出了最大化安全速率的认知发射机功率分配表达式;为了提高信道资源利用率,在OFDM-CR系统中引入协作干扰器,并讨论最大化安全速率的联合认知发射机与协作干扰器功率控制策略。首先不考虑主用户干扰约束,分析引入协作干扰器能获得安全速率增益的信道条件,并计算各子信道固定发射功率下的干扰功率,然后将安全速率最大化模型用混合整数非线性规划近似,基于启发式贪婪算法求解其次优解,最后就提出的功率控制策略与其他几种典型的功率控制策略进行了性能对比仿真,结果表明,提出的功率控制策略在不同条件下均有性能提升。     

基于协作干扰器的OFDM-CR保密通信系统功率控制

针对OFDM-CR系统中认知收发信机在独立并行高斯窃听信道上的安全通信与功率控制展开研究。以无协作干扰器的OFDM-CR 系统为对象,导出了最大化安全速率的认知发射机功率分配表达式;为了提高信道资源利用率,在 OFDM-CR 系统中引入协作干扰器,并讨论最大化安全速率的联合认知发射机与协作干扰器功率控制策略。首先不考虑主用户干扰约束,分析引入协作干扰器能获得安全速率增益的信道条件,并计算各子信道固定发射功率下的干扰功率,然后将安全速率最大化模型用混合整数非线性规划近似,基于启发式贪婪算法求解其次优解,最后就提出的功率控制策略与其他几种典型的功率控制策略进行了性能对比仿真,结果表明,提出的功率控制策略在不同条件下均有性能提升。
     

多发单收窃听信道中人工噪声辅助的鲁棒波束成形设计

针对无线通信物理层安全中合法用户接收的信息易受到非法窃听者窃听的问题,提出了一种人工噪声辅助的鲁棒波束成形(AN-RBF)设计方案。首先,利用信道估计分别获取发射端到合法用户的瞬时非理想信道状态信息(CSI)和发射端到窃听者的统计CSI;然后,在发射端向合法用户发送的信号中添加人工噪声,通过对有用信号和人工噪声进行联合优化,在满足发射功率控制和中断概率限制的约束条件下实现安全传输速率的最大化。AN-RBF方案发射端仅需获取窃听者的统计CSI,且发射端获取的合法用户的瞬时CSI是非理想的,系统开销少,另外,人工噪声的添加可以降低窃听者接收端信干噪比,提高多发单收(MISO)窃听信道中的安全传输速率。仿真结果表明,在20dB功率且仿真环境相同的情况下,所提AN-RBF方案的安全速率比各态同向人工噪声辅助方案提高了约2bit·(s·Hz)-1。     

自适应窃听和干扰下机会式中继和协作干扰技术的安全性能分析

在存在一个半双工自适应窃听者的多中继协作通信模型中,针对窃听者能够智能地选择被动窃听或主动干扰的问题,选择一个中继协助源节点转发信息,其余中继用于发送人工干扰信号以混淆窃听者,从而提升系统的遍历可达安全速率(Ergodic achievable secrecy rate,EASR)性能。在仅有窃听信道统计信息的假设下,推导了EASR的渐进闭合表达式,并进行了Monte-Carlo仿真验证。仿真结果表明:即使在中继数目较小的情况下,渐进分析结果与仿真结果也基本吻合。同时表明:采用机会式中继和中继协作干扰的组合技术可显著地提升系统的安全传输性能。     

基于协作频谱感知和干扰约束的认知异构网络

针对异构无线网络的空闲信道检测准确率及网络吞吐量的优化问题,提出一种基于协作频谱感知和干扰约束的认知异构网络.首先,所提出的认知异构网络系统模型采用多个中心次用户(Center Secondary Users,CSU)节点协助其他节点进行频谱感知,并引入了能量检测阈值,在提高空闲信道检测准确率的同时节省检测能耗.接着,采用最大化数据速率的联合优化方程,在干扰功率的限制约束下为节点分配最佳的发射功率,降低干扰程度并优化网络吞吐量.实验仿真结果表明,相比较基于集群的协作频谱感知分配策略算法和基于QoS约束的能量感知竞争功率分配算法,该算法的网络吞吐量分别提升了3.4%和1.5%,平均频谱利用率分别提高了9.3%和7.4%.     

全维度多天线下SWIPT系统的安全速率分析

针对在多用户下行链路传输网络中,现有研究均是在二维信道中分析SWIPT系统的安全速率,忽略了垂直维度对物理层安全的影响这一问题,在全维度大规模平面天线阵列场景下,假设统计信道状态信息存在多个窃听用户,利用使每个用户遍历传输速率最大化而获取的最优3D波束成型方案,推导出收集能量约束条件下的系统安全传输速率.采用拉格朗日松弛优化算法联合优化发射功率和功率分流比,得到最大化系统安全速率的最优解.仿真结果表明:采用3D波束成型传输方案能够提高系统的安全性,对实际系统具有指导意义.     

能量采集多天线中继网络中基于人工噪声辅助的安全传输方案

针对多天线中继系统中继节点面临的可用能量受限问题和存在的严重信息泄露隐患,提出了一种基于能量采集技术的联合中继波束成形和多天线友好干扰机协作干扰的物理层安全传输方案.首先,构建基于放大转发（Amplify-and-Forward, AF）模式的多天线协作中继网络,其次,中继节点和友好干扰机在时隙切换（Time Switch, TS）策略下进行能量采集和保密信号传输.接着,以系统保密速率最大化（Secrecy Rate Maximization, SRM）为目标,在满足中继节点和友好干扰机采集能量约束条件下,联合设计出最优中继信号传输波束成形矩阵、人工噪声（Artificial Noise, AN）协方差矩阵和时隙切换系数.然而,由于条件约束,导致该SRM问题为非凸问题,故通过结合半定松弛（Semi-Definite Relaxation, SDR）技术以及拉格朗日对偶理论,设计出一种双层优化算法求得最优解,并且,为了降低复杂度和对比方案性能,给出了一种基于迫零预编码的次优传输方案.最后,仿真结果表明,所提方案能够显著提高系统保密性能,具备一定抗窃听攻击能力.     

CR-NOMA双向中继自干扰能量回收传输方法

针对单向中继自干扰能量收集的认知无线电系统中,窃听用户的接入概率增加,从而影响次用户物理层安全性能的问题,在认知无线电非正交多址接入系统中通过双向中继辅助次用户传输,同时在中继能量捕获受限等约束条件下,最大化弱用户物理层安全速率.由于优化问题为复杂的非凸问题,因此根据半定松弛理论将其转化为凸问题,并通过迭代算法对信号协方差矩阵、中继发送和接收的功率分配因子进行联合优化,进而得到弱用户物理层安全速率的全局最优解.仿真结果表明:与单向中继自干扰能量收集相比,在保证中继节点收集能量和强用户安全传输条件下,弱用户物理层安全速率提高了15.4%.     

一类高斯脏纸正交中继信道的容量

研究了一类依赖信道状态的高斯脏纸正交中继信道,其中,源节点到中继节点间的信道以及源节点和中继节点到目的节点间的信道相互正交,且分别受到服从高斯分布的加性干扰Sr和Sd的影响.假设Sr和Sd相互独立,且源节点和中继节点均非因果已知Sr和Sd,基于协作的脏纸编码（dirty-paper coding,DPC）和部分译码前传（partial-decode-and-forward,PDF）中继策略,得到了该信道容量的确切表达式.该信道容量的表达式与不受干扰的正交中继信道的容量表达式相同,此结果表明：即使目的节点未知加性干扰Sr和Sd,但通过协作的脏纸编码,可以完全消除加性干扰对信道容量的影响.     

能量收集高斯窃听信道的安全速率与中断性能

针对无线网络存在安全威胁和能量受限的问题,讨论了基于ST协议的能量收集型高斯窃听信道的安全通信问题。首先,给出了ST协议的模型;其次,以最大化安全速率为目标函数,得到了最优的能量吸收速率和能量吸收比;最后,分析了系统安全速率大于零的概率和安全中断概率。仿真表明,与半能量吸收比方案相比,优化方案明显提高了系统的安全速率并降低了安全中断概率。     

基于改进粒子群算法的集成网络节点部署优化

针对集成RFID与WSNs网络中智能节点最佳位置的选择问题,采用改进粒子群算法优化策略,在复杂的传播环境、交叉覆盖及智能节点间不可避免的干扰等影响因素下,寻找智能节点的最佳位置。该最佳位置不仅要保证给定智能节点对标签的最大覆盖率,而且要使得智能节点间的干扰最小。仿真结果表明,基于惯性权重线性递减策略的粒子群算法,加快了寻找最优节点部署的速度,并能快速有效地收敛于最优解,从而在保证覆盖率的前提下使干扰最小。     

多蜂窝MISO通信系统中干扰消除策略研究

针对部分信道状态信息下的小区间干扰消除问题,通过使用2个独立的随机矢量量化(RVQ)码本分别量化期望信道和干扰信道,首次分析了2个小区MISO有限反馈系统模型下3种波束形成传输策略(特征波束形成、迫零波束形成、最大化信漏噪比)和速率性能,并根据用户在小区中的位置和小区边缘的平均信噪比,研究了基站最优的波束形成传输策略选择.仿真结果表明:当用户噪声受限时,相邻小区基站应选择特征波束形成传输策略;当用户干扰受限时,相邻小区基站应选择最大化信漏噪比传输策略.     

干扰温度约束下的最优源功率控制与协作波束成形

文中研究在主用户干扰温度约束下,如何优化认知源节点发送功率以及认知中继波束成形权值来最大化认知目的节点的信噪比.信噪比最大化问题被转化为广义Rayleigh商问题,最优中继波束成形权值等于相关信道系数与源节点发送功率构成的矩阵的最大特征值所对应的特征向量.文中考虑了严格与宽松两种干扰温度约束,对于严格约束,给出了最优源节点发送功率与中继波束成形权值的解析解;对于宽松约束,推导了包含最优源发送功率的一个紧缩区间,并在该区间内使用基于最速下降的梯度方法有效计算最优解.     

干扰受限的增量型机会中继选择协作通信

协作通信让用户以协作的方式传输信息,是下一代无线通信系统为提升频谱效率所采用的关键技术之一。实际无线通信中的期望信号除了受到信道衰落和噪声的影响外,还可能受到来自其他用户同频信号的共道干扰。随着用户数的增加,大量的共道干扰就会取代噪声成为影响无线通信质量的主要因素,称为干扰受限。提出全网总功率约束条件下的增量型解码转发机会中继选择协作通信策略,并研究该策略在Nakagami/I.I.D.Nakagami信道衰落和干扰受限环境下的协作通信性能。理论分析和仿真结果表明,该协作策略能够在Nakagami/I.I.D.Nakagami信道衰落和干扰受限环境中有效抵抗信道衰落和共道干扰,实现协作分集增益。当源节点和中继节点的功率可以灵活调整时,合理的功率分配可以进一步提升协作通信性能。