一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法，该方法的接收端均配置有功率分离器，其将接收到的功率分为用于接收端信息解码和能量收集的同步实现。若空闲接收端成为潜在窃听者，发送端采用预编码和引入人工噪声的方法，能有效提高系统安全速率以及系统能量的转移效率。在发送端仅已知空闲接收端部分信道状态信息的情况下，此鲁棒性安全设计被描述为一个非凸半无限的最优化问题。利用一阶泰勒扩展和S-Procedure定理等可将其转换为半正定松弛问题，并最终通过基于凸优化工具的迭代算法给出有效的鲁棒性安全设计方法。本发明专利技术在确保系统安全通信的前提下，显著提高了系统的安全速率，同时也提高了系统的能量转移效率，更好地满足了用户的通信和能量需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线能量传输和无线通信
，特别涉及基于信息能量同步传输的下行MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法。
技术介绍
当前高速无线通信的爆发式增长提高了对通信网络的能量需求。而移动终端往往是由能量存储受限的电池供给能量，这就造成了网络的生命周期存在瓶颈。因此，具有能量收集功能的通信设备被认为是为能量受限的通信系统提供自我可持续发展的一个很有前途的替代。在实际中，有许多再生能源可用来进行能量收集，包括太阳能、潮汐、地热、风能等。然而，这些能量源往往受地理位置、天气、气候等的限制，并不总能适用于室内或封闭的环境以及移动终端等。另一方面，接收端从无线电频谱的电磁波中收集能量的无线电传输技术得到了工业界和学术界的极大关注,也就是说周围的无线电信号(即：RF)可以作为新的能量收集来源。因此，利用RF信号进行无线信息和能量的同步传输被认为是延长网络生命周期的有效方法。由于无线通信网络的开放性，RF信号中携带的合法信息很容易受到恶意窃听者的窃听。传统上的安全通信方法往往独立于物理层而存在一定的缺陷，即均假定窃听者的计算能力有限。而物理层安全被认为是对抗具有无限计算能力的窃听者的有限方法。物理层安全的原则是利用无线衰落信道的物理特性提供完美的保密通信。与此同时，多输入多输出(即：MIMO)技术作为提高系统容量的有效方法已经被广泛采用，在理论上其系统容量随着天线数量的增加而线性增长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决基于信息和能量同步传输的下行MIMO通信系统的安全传输问题，提出了一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法。该方法是在接收者均配置功率分离器以达到接收端信息解码和能量收集同步实现的目的，且发送端仅已知空闲接收端部分信道信息情况下的鲁棒性安全设计问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法，该方法基于信息和能量同步传输，包括以下步骤：步骤1：对发送端的信息信号采用预编码设计并加入由发送端产生的人工噪声，x＝Qs+v，其中为信息信号，分别为预编码矩阵和人工噪声向量。步骤2：针对MIMO系统中发送端仅已知空闲接收者(即：潜在窃听者)的估计信道信息及其误差半径的情况，优化系统安全容量，利用一阶泰勒近似以及S-Procedure定理等将求解最坏情况下的安全速率最大化问题近似转化为给定初始点的SDP问题，其中W＝QQH,V＝vvH，t＝1/ρD。步骤3：初始化利用凸优化工具包求解转化后的SDP问题并依次迭代、更新每次迭代得到一个新的安全速率，直到安全速率值收敛到一定程度，迭代停止，并最终给出系统最坏情况下的近似安全速率以及预编码矩阵和人工噪声向量的设计方法。本专利技术的发送端已知目的接收端的完美信道信息空闲接收端处于非活动状态，发送端仅已知其信道信息的估计值及其估计误差半径，即：Ωm={Gm|Gm=G^m+ΔGm,||ΔGm||F≤δm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：对发送端的信息信号采用预编码设计并加入由发送端产生的人工噪声，x＝Qs+v，其中为信息信号，分别为预编码矩阵和人工噪声向量；步骤2：针对MIMO系统中发送端仅已知空闲接收者，即：潜在窃听者估计信道信息及其误差半径的情况，优化系统安全容量，利用一阶泰勒近似以及S‑Procedure定理等将求解最坏情况下的安全速率最大化问题近似转化为给定初始点的SDP问题，其中W＝QQH,V＝vvH，t＝1/ρD；步骤3：初始化利用凸优化工具包求解转化后的SDP问题并依次迭代、更新每次迭代得到一个新的安全速率，直到安全速率值收敛到一定程度，迭代停止，并最终给出系统最坏情况下的近似安全速率以及预编码矩阵和人工噪声向量的设计方法。

【技术特征摘要】
1.一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法，其特征在于，所述方法包括
如下步骤：
步骤1：对发送端的信息信号采用预编码设计并加入由发送端产生的人工噪
声，x＝Qs+v，其中为信息信号，分别为预编码矩
阵和人工噪声向量；
步骤2：针对MIMO系统中发送端仅已知空闲接收者，即：潜在窃听者估计
信道信息及其误差半径的情况，优化系统安全容量，利用一阶泰勒近似以及
S-Procedure定理等将求解最坏情况下的安全速率最大化问题近似转化为给定初
始点的SDP问题，其中W＝QQH,V＝vvH，t＝1/ρD；
步骤3：初始化利用凸优化工具包求解转化后的SDP问题并依次
迭代、更新每次迭代得到一个新的安全速率，直到安全速率值收敛
到一定程度，迭代停止，并最终给出系统最坏情况下的近似安全速率以及预编码
矩阵和人工噪声向量的设计方法。
2.根据权利要求1所述的一种MIMO通信系统的鲁棒性安全设计方法，其特
征在于，所述方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保云，王少行，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32