【摘 要】
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移动通信系统中的信息安全传输问题越来越受到人们的关注,日益成熟的多天线传输技术为该问题的解决提供了新思路。本文研究了多天线安全波束成形算法,主要工作如下:一、研究了MIMO系统通过设计波束成形矩阵以防止发送信号被窃听的问题,主要工作如下:1)针对该问题的三节点模型,通过限制窃听用户可达数据速率,并最大化合法用户可达数据速率,建立了该问题对应的数学优化模型;2)针对发送端所获窃听用户信道信息无误差的
【基金项目】
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国家自然科学基金面上课题,未来移动通信系统全局无线资源分配的分布式计算,课题编号:61871128,2019年1月-2020年12月； 江苏省科技厅前沿引领技术基础研究专项,天地融合卫星移动通信组网理论与技术,课题编号:BK20192002,2019年7月-2024年7月；
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移动通信系统中的信息安全传输问题越来越受到人们的关注,日益成熟的多天线传输技术为该问题的解决提供了新思路。本文研究了多天线安全波束成形算法,主要工作如下:一、研究了MIMO系统通过设计波束成形矩阵以防止发送信号被窃听的问题,主要工作如下:1)针对该问题的三节点模型,通过限制窃听用户可达数据速率,并最大化合法用户可达数据速率,建立了该问题对应的数学优化模型;2)针对发送端所获窃听用户信道信息无误差的情况,通过引入拉格朗日因子分析其对偶问题,并依据Hadamard不等式得到了最优波束成形矩阵的闭合表达式;3)针对发送端所获窃听用户信道信息存在误差的情况,通过S-procedure引理将无穷多窃听用户速率约束转换为有限的线性矩阵不等式约束,进而将原问题转换为可求解的凸问题,并基于内点法获得了鲁棒的波束成形矩阵。仿真结果表明,所提方案能够获得较好的安全性能及较高的合法用户可达数据速率。二、研究了MIMO系统发送端在仅知道窃听用户部分信道协方差信息条件下,通过设计波束成形矩阵以最大化系统最小安全速率的问题,主要工作如下:1)针对该问题的三节点模型,通过最大化系统最小安全速率,建立了该问题对应的数学优化模型;2)通过引入松弛变量将所提问题转换为等价问题,然后利用拉格朗日对偶原理对等价问题中的窃听用户速率约束进行了转换,将原本的最大化最小安全速率问题转换为最大化安全速率问题;3)针对转换后的非凸最大化问题,提出了基于连续凸近似的求解算法。仿真结果表明,相比未考虑信道协方差误差的方案,所提方案能够获得较好的安全性能。三、研究了MIMO系统的最大化广义安全速率问题,主要工作如下:1)针对该问题的三节点模型,通过最大化广义安全速率,建立了该问题对应的数学优化模型;2)分别基于连续凸近似、块坐标下降和分解加权方法提出了三种求解算法:连续凸近似算法将目标函数中的非凸项近似替换为其一阶泰勒展开,进而通过求解一系列凸的子问题获得了原问题的次优解;块坐标下降算法通过引入新变量对优化问题进行了转换,并将转换后的问题分解为两个互相迭代的子问题,然后通过拉格朗日对偶原理和Hadamard不等式给出了这两个子问题的闭式解;分解加权算法通过求解以下两个问题:仅存在合法用户情况下的合法用户可达数据速率最大化问题和仅存在窃听用户情况下的窃听用户可达数据速率最小化问题,得到相应的波束成形矩阵,然后依据用户权重系数构建原问题的安全波束成形矩阵;3)分析了所提算法的复杂度:连续凸近似算法复杂度最高,块坐标下降算法次之,分解加权算法复杂度最低。仿真结果表明,基于连续凸近似和块坐标下降的算法均能获得较好的安全性能,而基于分解加权的算法虽然可以实现正的广义安全速率,但性能相比另外两种算法较差。因此可以考虑将分解加权算法所求得的解作为另外两种算法的初始迭代点,以减少另外两种算法的迭代次数。四、研究了智能反射面辅助的SISO系统安全速率最大化问题,主要工作如下:1)针对该问题的三节点模型,通过最大化安全速率,建立了该问题对应的数学优化模型;2)将原问题分解为功率优化子问题和智能反射面相位与位置优化子问题,并给出了一种迭代算法进行求解;3)对于功率优化子问题,采用连续凸近似方法将其近似为一系列凸问题进行求解;4)对于智能反射面相位和位置优化子问题,首先通过最大化合法用户接收信号能量给出了相位的表达式,然后通过引入松弛变量证明了安全速率为优化变量的两个凸函数之差,并基于该凸差目标函数给出了迭代求解算法。仿真结果表明,相比未优化智能反射面位置的方案,所提方案可以进一步提升系统安全速率。
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