无线携能通信系统的物理层安全方法研究

摘要

近年来，随着无线通信网络中高数据速率要求的指数性增长，人们对无线通信网络中的能量需求日益提高。迅速上升的能源消耗不仅增加了通信系统的运营成本，而且引起了严重的环境问题。因此，绿色无线电通信引起了学术界和工业界的高度关注。然而，移动通信设备通常由容量有限的电池供电。于是，移动通信设备的寿命问题成为无线通信服务发展的瓶颈。基于射频信号的无线携能通信作为一种替代传统电池供电的技术，成为解决或者延长网络生存时间的有效方法。同时，无线电射频信号的广播特性和无线信道的内在随机性导致无线携能通信系统中传输的合法信号很容易被恶意的接收者窃听。因此，本文对无线携能通信系统的物理层安全方法进行了研究。具体地说，主要提出了以下两种方案：
　　第一，针对多输入多输出多天线窃听者下行无线携能通信系统的物理层安全通信问题，提出了一种基于人工噪声的波束成形设计方案。首先给出了该方案的系统模型，紧跟着在满足发射功率约束、接收端能量收集门限以及信息泄漏控制指标约束的条件下，建立了最大化接收端传输速率的优化问题。然后利用最小均方误差接收方法和连续凸近似方法将得到的非凸数学问题转化为两个凸的二阶锥规划子问题，并对其进行迭代求解。最后，通过仿真验证了所提方案在安全通信方面的有效性。
　　第二，考虑一个存在多个中间节点和一个窃听者的安全无线携能通信系统，提出了一种基于协同中继和协同干扰联合的功率分配方案。首先介绍了该方案的具体内容：将能解码出信息的中间节点作为中继节点，并且中继节点将解码出的信息经过波束成形后转发给接收端，而不能解码出信息的中间节点作为干扰节点，并且干扰节点将接收到的信号转化成可利用的能量后，发送人工噪声来干扰窃听者。然后在满足总功率约束、中继节点的接收信干噪比门限和干扰节点的能量采集门限的约束条件下，通过联合优化发送端、中继节点和干扰节点三者之间的发射功率，使得系统的保密速率达到最大，并通过数学方法推导出了最优发射功率的闭式解。最后给出了该方案的仿真结果和性能分析。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容与结构安排

第二章 无线携能通信系统的理论基础

2.1无线携能通信系统的关键技术

2.2增强无线携能通信系统安全性的方法

2.3两类典型规划问题的标准形式

2.4本章小结

第三章 基于人工噪声的波束成形算法研究

3.1系统模型

3.2数学模型

3.3问题求解

3.4仿真实现与分析

3.5本章小结

第四章 基于协同中继和协同干扰联合的功率分配方案

4.1系统模型

4.2数学模型及求解

4.3仿真实现与分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文内容总结

5.2下一步工作展望

参考文献

致谢

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