一种提高解码转发协作系统保密性能的波束成形优化方法

摘要

一种提高解码转发协作系统保密性能的波束成形优化方法，属于通信技术领域，由以下通信系统来实现，该系统包括信源节点、中继节点、信宿节点和窃听节点。本发明方法通过将目标问题转化为一个凸优化问题和一个一维线性搜索问题的组合能够以较高的精度得出单个功率限制下基于DF方式工作的协作通信系统的保密容量及相对应的最优波束成形矢量。本发明的意义在于相比较于由信源直接发射信号到信宿的直接传输系统，在总发射功率相同的情况下，使用该方法进行波束成形优化后的DF协作通信系统的物理层保密能力有着显著的优势。

主权项

1.一种提高解码转发协作系统保密性能的波束成形优化方法，由以下通信系统来实现，该系统包括信源节点、中继节点、信宿节点和窃听节点，所有的节点都是单天线的节点，预先设整个通信系统工作在DF即解码转发方式下，在通信的第一阶段，信源节点将信号发送至各个中继节点，在第二个阶段，所有的中继节点对接收到的有污损的信号进行解码，还原出信源节点发送的原始信号，而后相互协作，将原始信号发送至信宿节点，窃听节点在这个过程中对信号进行窃听，系统中信源节点、信宿节点与窃听节点都只有一个，参与协作通信的中继节点的个数是已知的，记作N；整个系统的信道是准静态的，平坦衰落的无记忆信道，记信宿信道h=[h₀,....,h_N-1]^H其中h_i∈C表示第i个中继节点与信宿节点间的信道衰落因数，窃听信道g=[g₀,.....,g_N-1]^H其中g_i∈C表示第i个中继节点与窃听节点间的信道衰落因数；所有的噪声都是平稳的高斯白噪声，信宿节点处的噪声功率为窃听节点处的噪声功率为将波束成形矢量记做w=[w₀,....,w_N-1]^T，其中为第i个中继节点处的波束成形因子，该方法步骤如下：1）利用信道估计，估计出g,h的值，设定每个中继节点的功率限制pi的值和求解精度ε，该求解精度指的是保密容量的真实值与求解值之间差的绝对值，计算出信宿信道的自相关矩阵R_h=hh^H，窃听信道的自相关矩阵R_g=gg^H；2) 初始化t_min，t_max：t_max的初始化通过求解优化问题（1）进行，记（1）的最优值为o_pt，$t_{\max }={O^2}_{\mathrm{pt}}+{\sigma }_E^2$$\begin{array}{c}\underset{w}{\max \mathrm{imize}}:\mathrm{Re}\left(w^{H}g\right)\\ \mathrm{subject\; to}:{\left|w_i\right|}^2\le p_i,\forall i=0,...,N-1\end{array}---\left(1\right)$t_max、t_min分别为的上限和下限，其中w^*为欲求解的最优波束成形矢量，（1）问题是标准的凸优化问题，可以通过内点法进行求解，其中maximize代表优化w使其后的目标式的值最大化，subject to代表变量w受到其后限制条件的约束；3）计算t_left=t_max-0.618(t_max-t_min)，t_right=t_min+0.618(t_max-t_min)；4）将t_left代入求解R₁(t_left)，同理，计算R₁(t_right)，其中f₁(t)为问题（2）的最优值的平方；$\begin{array}{c}\underset{w}{\max \mathrm{imize}:}\mathrm{Re}\left(w^{H}h\right)\\ \mathrm{subject\; to}:{\sigma }_E^2+w^H{R}_{g}w\le t\\ {\left|w_i\right|}^2\le p_i,\forall i=0,...,N-1\end{array}---\left(2\right)$随着t的变化（2）式的最优值的平方会不断的变化，因而（2）式的最优值的平方可以被记为一个关于t的函数，即f₁(t)，同时（2）问题同样是一个标准的凸优化问题；5）若R₁(t_left)<R₁(t_right)则对t_min进行赋值t_min=t_left，若R₁(t_left)>R₁(t_right)则对t_max进行赋值t_max=t_right，若R₁(t_left)=R₁(t_right)则对t_min和t_max进行赋值t_min=t_left，t_max=t_right；6）计算t_max-t_min，若t_max-t_min＞ε则跳转至步骤3），否则继续步骤7）；7）计算t₁=(t_max+t_min)/2；8）计算通信系统的保密容量并通过将t₁带入（2）求解相对应的最优波束成形矢量w^*；9）输出通信系统的保密容量C_S和最优波束成形矢量w^*。