一种放大转发无线中继网络中安全协作波束赋形的方法

摘要

本发明公开了一种放大转发无线中继网络中安全协作波束赋形的方法，包括以下步骤：1)在放大转发无线中继网络中，获取第一个源节点T_i处可达信息速度I₁、第二个源节点T₂处可达信息速度I₂以及窃听者E_k处可达信息速率；2)则根据安全和速率最大化准则构建单个中继功率控制的优化问题，然后将该优化问题转化为半正定规划问题，并通过迭代的方法得到最优的矩阵x_opt，其中所述矩阵x_opt满足rank(X_opt)＝1，然后根据所述得到最优的安全和速率。该方法可以实现放大转发无线中继网络中安全协作波束赋形的最大安全和速率，显著降低窃听者窃取正当用户的信息概率，提高安全通信的频谱效率。

主权项

一种放大转发无线中继网络中安全协作波束赋形的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在放大转发无线中继网络中，第一个源节点T₁及第二个源节点T₂通过一组中继R_n交换信息，窃听者E_k是被动的，并且试图非法窃听第一个源节点T₁和第二个源节点T₂处的信息，其中，n＝1，2，...，N，k＝1，2，...，K，N为中继总数，K为窃听者的数量，则第一个源节点T₁处可达信息速度I₁、第二个源节点T₂处可达信息速度I₂以及窃听者E_k处可达信息速率分别为$I_1=\frac{1}{2}\log (1+\frac{P_2{w}^H{R}_{\mathrm{fg}}w}{w^H{R}_{\mathrm{ff}}w+1+f_R^T\Sigma f_R^{*}})---\left(9\right)$$I_2=\frac{1}{2}\log (1+\frac{P_1{w}^H{R}_{\mathrm{fg}}w}{w^H{R}_{\mathrm{gg}}w+1+g_R^T\Sigma g_R^{*}})---\left(10\right)$$I_{E_k}=\frac{1}{2}\log ({\gamma }_k+\frac{w^H{V}_{k}w}{w^H{R}_{c_k{c}_k}w+1+c_{E_k}^T\Sigma c_{E_k}^{*}})---\left(11\right)$其中P₁为第一个源节点T₁的平均发射功率，P₂为第二个源节点T₂的平均发射功率，w为波束赋形矩阵，f_R为第一个源节点T₁到所有中继的信道，f_E到第一源节点T₁到窃听者的信道，g_R为第二个源节点T₂到所有中继的信道，g_E为第二个源节点T₂到窃听者的信道，c_E为中继到窃听者的准静态衰落系数，为中继到第k个窃听者的准静态衰落系数，$R_{\mathrm{ff}}=\mathrm{diag}({\left|f_{R,1}\right|}^2,{\left|f_{R,2}\right|}^2,...,{\left|f_{R,N}\right|}^2),R_{c_k,c_k}=\mathrm{diag}({\left|c_{E_k,1}\right|}^2,{\left|c_{E_k,2}\right|}^2,...,{\left|c_{E_k,N}\right|}^2),$a_fg＝f_rog_R，$R_{\mathrm{fg}}=a_{\mathrm{fg}}{a}_{\mathrm{fg}}^H,R_{\mathrm{gg}}=\mathrm{diag}({\left|f_{g,1}\right|}^2,{\left|f_{g,2}\right|}^2,...,{\left|f_{g,N}\right|}^2),a_{c_{k}f}=c_{E_k}o{f}_R,a_{c_k,g}=c_{E_k}o{g}_R,$$V_k=(P_1{P}_2{\left|g_{E_k}\right|}^2+P_1)R_{c_{k}f}+(P_1{P}_2{\left|f_{E_k}\right|}^2+P_2)R_{c_{k}g}-P_1{P}_2{f}_{E_k}{g}_{E_k}^{*}{a}_{c_{k}g}{a}_{c_{k}f}^H-P_1{P}_2{f}_{E_k}^{*}{g}_{E_k}{a}_{c_{k}f}{a}_{c_{k}g}^H,$$R_{c_{k}f}=a_{c_{k}f}{a}_{c_k}^H,R_{c_{k}g}=a_{c_{k}g}{a}_{c_{k}g}^H;$2)则根据安全和速率最大化准则构建单个中继功率控制的优化问题即$Q1:\underset{w,\Sigma }{\max }\underset{k}{\min }\{I_1+I_2-I_{E_k}\},$$s.t.{\left[x_R^H{x}_R\right]}_{n,n}\le P_{R_n},\forall n$其中，x_R为中继对接收到的信号进行波束赋形并加入人工噪声后的信号，P_R为所有中继的总功率，然后将式(9)、式(10)及式(11)带入Q1中，得$\begin{array}{c}Q2:\underset{w,\Sigma }{\max }\underset{k}{\min }\frac{1+w^H(R_{\mathrm{ff}}+P_2{R}_{\mathrm{fg}})w+f_R^T\Sigma f_R^{*}}{1+w^H{R}_{\mathrm{ff}}w+f_R^T\Sigma f_R^{*}}\\ ·\frac{1+w^H(R_{\mathrm{gg}}+P_1{R}_{\mathrm{fg}})w+g_R^T\Sigma g_R^{*}}{1+w^H{R}_{\mathrm{gg}}w+g_R^T\Sigma g_R^{*}}\\ ·\frac{1+w^H{R}_{c_k,c_k}w+c_{E_k}^T\Sigma c_{E_k}^{*}}{w^H({\gamma }_k{R}_{c_k{c}_k}+V_k)w+{\gamma }_k(1+c_{E_k}^T\Sigma c_{E_k}^{*})}\end{array}$$s.t.{\left[x_R^H{x}_R\right]}_{n,n}\le P_{R_n},\forall n.$其中，Q2为一个非凸问题，将Q2转化为半正定规划问题，并通过迭代的方法得到最优的矩阵x_opt，其中所述最优的矩阵x_opt满足rank(x_opt)＝1，再根据所述的最优的矩阵x_opt得最优安全和速率，然后根据所述最优的安全和速率进行放大转发无线中继网络中安全协作波束的赋形。