基于IRS辅助的SWIPT物联网系统安全波束成形设计

为满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求,针对基于智能反射面辅助的无线携能通信物联网系统中可持续能量供应紧缺问题,提出了一种安全波束成形设计方法.考虑保密速率、发射功率和IRS反射相移约束,以最大化能量采集器采集功率为目标,联合优化基站发射波束成形矩阵和干扰机协方差矩阵以及IRS相移,将优化问题建模为具...     

IRS辅助的安全通信系统波束成形嵌套优化算法

智能反射面（Intelligent Reflecting Surface,IRS）是一种通过重新配置无线传播环境,提高无线通信网络安全性的绿色通信新技术。该文针对IRS辅助的多输入单输出安全通信系统,考虑在合法用户保密率约束下,联合优化基站处的发射波束成形和IRS处无源移相器的反射波束成形,使基站的发射功率最小。为了求解多变量耦合的非凸优化问题,我们提出了拉格朗日函数和粒子群嵌套优化算法,使用粒子群算法搜索IRS的反射波束成形,拉格朗日函数求解对应的发射波束成形,获得非凸优化问题的次优解。论文仿真比较了不同算法下基站所需的发射功率,结果表明所提算法基站所需发射功率更低。     

非理想信道状态信息下RIS辅助的安全通信

利用可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)辅助无线发射机,可提高多用户无线网络的安全传输能力。在非理想信道状态信息(Channel State Information, CSI)下提出了鲁棒波束形成优化方法来提高系统对抗干扰和窃听攻击的能力。具体地,使用RIS辅助发射机,对RIS的相位波束形成和基站的传输功率进行联合优化,在分别满足有界CSI的最坏情况速率约束和统计CSI的速率中断概率约束来最小化系统的总传输功率。由于存在CSI误差,针对有界CSI和统计CSI误差约束,分别利用S-procedure来松弛保密速率约束和大偏差不等式(Large Deviation Inequality, LDI)来松弛保密速率中断概率约束。仿真结果表明,相比于无源反射法和传统波束形成方案,该方法可分别降低约88%和93%总传输功率,同时提高约15 dBm和12 dBm的干扰容限。     

具有非线性能量收集的RIS辅助无线供电通信网络的吞吐量优化

为了提高无线供电通信网络（WPCN）的信息吞吐量及传能效率并实现系统可持续工作，研究可重构智能表面（RIS）辅助WPCN的吞吐量优化问题。采用非线性能量收集模型，并对RIS进行能量分配，通过联合优化RIS的反射相位和能量分配系数，基站的发射波束赋形，基站能量传输，下行能量传输和上行信息传输的时间分配，以最大限度提高网络用户信息传输的吞吐量。所考虑的优化问题的优化变量高度耦合，难以直接求解。提出基于分块优化、松弛变量引入和半正定松弛方法的高效算法求解该问题。仿真结果表明，与现有的基准方案对比，所提算法能显著提高系统吞吐量和可靠性。     

面向窃听用户的RIS-MISO系统鲁棒资源分配算法

针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题,该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先,考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束,基于有界信道不确定性,建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后,利用Dinkelbach,S-procedure和交替优化方法,将原非凸问题转换成确定性凸优化问题,并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明,与传统非鲁棒算法对比,所提算法具有较低的中断概率。     

智能反射面辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法

为了解决恶意干扰攻击、窃听和不完美信道状态信息造成的通信质量降低和安全性差等问题,该文提出一种智能反射面(IRS)辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法。首先,基于合法用户的最小安全速率约束、最大发射功率约束和IRS相移约束,在非法节点不完美信道状态信息、干扰器波束成形向量未知的情况下,构建了一个联合优化基站的波束成形向量、人工噪声的协方差矩阵和IRS的相移矩阵的鲁棒资源分配问题。其次,为了求解该非凸问题,利用交替优化、Cauchy-Schwarz不等式、连续凸逼近和泰勒级数展开等方法,将原问题转化为易于求解的凸优化问题。仿真结果表明,与传统算法相比所提算法能有效提高系统安全性、降低功率开销、提高抗干扰裕度,且在一定信道误差范围内能够减低约35%的保密中断概率,具有较强的鲁棒性。     

不准确CSI下智能反射表面辅助的多用户系统物理层安全方案设计

该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密,每个时隙,非信息传输的目标用户视为窃听者,因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性,基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information,CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下,以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标,对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量,以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题,利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于基准方案,该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。     

基于智能反射面辅助的无人机中继系统安全通信方法

为了提高无人机中继系统的安全通信性能,解决无线信道受障碍物遮挡问题,该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中,通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移,最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题,该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项,然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率,并且具有良好的收敛性。     

智能反射面辅助的无线携能通信系统优化问题研究

本文针对智能反射面辅助的无线携能通信系统，提出了一种面向能量效率的信号传输方案，该方案在基站处发射信息与能量的混合信号，通过联合优化基站的信息信号波束、能量信号波束和智能反射面处的相移来实现系统能量效率的提升。由于优化问题非凸且三个优化变量相互耦合，难以直接获取最优解。因此本文采用交替优化将原问题转换为两个非凸子问题进行交替迭代求解，并借助Dinclebach与半正定松弛等方法将非凸子问题转化为凸问题解决，最终获得原问题的次优解。数值仿真结果表明，本文所提方案在能量效率方面优于现有方案。     

IRS辅助的共生无线电系统鲁棒优化算法设计

共生无线电技术可用于提高频谱效率与能量效率,但其中物联网接收机的接收信号强度较弱,在共生无线电系统中部署智能反射表面是针对该问题的一种有效解决方案。首先,在完美信道状态信息可知时,考虑基站信息速率要求、反射单元相移的约束、反向散射设备的解码顺序与反射系数的约束,联合优化无源波束赋形与反向散射设备的反射系数来最大化所有反向散射设备中最小的吞吐量。然后,考虑到系统中的实时完美信道状态信息很难获得的问题,提出了针对不完美信道状态信息的鲁棒优化算法。仿真结果验证了智能反射表面可使共生无线电系统性能大幅提升,相较于保守方法,所提的鲁棒优化算法可降低不完美信道状态信息造成的性能下降。     

基于无线供能反向散射通信系统安全性的稳健机会约束优化算法设计

针对无线供能反向散射通信系统中信道不确定性以及安全性问题,提出一种考虑系统安全性的稳健机会约束优化算法.首先,在考虑窃听数据传输速率约束、最小能量收集约束和设备反射率约束条件下,建立一个基于信道不确定性的最大化系统传输速率最小值的优化问题.为求解该问题,应用基于伯恩斯坦型不等式的安全近似方法,将原不确定性问题转换为确定...     

Terminal battery status information based fairness-aware SWIPT strategy

To solve the battery depletion problem,the terminals’ battery status information (BSI) was proposed to be taken into consideration in simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) strategies,and a SWIPT strategy to guarantee the rate fairness was provided.BSI determined the terminals’ sufferable received rate and harvested energy.The proposed scheme was formulated as an optimization problem to max-min user rate,with rate/energy requirement constraints and the sufferable rate/energy constraints.To solve optimization problem,the receivers were firstly classified with their battery level,then the optimal solutions were obtained by the proposed iteration optimization-based algorithm.With the proposed scheme,the transmit power and the power splitting factor would be controlled and the data rate at receivers,especially the receivers that with lower battery level would be restricted,avoiding the required battery consumption to exceed battery level.Simulation results reveal that the proposed scheme can prolong battery lifetime and avoid the battery depletion problem,and its fairness performance is strengthened with the difference decreasing among the receivers’ battery level.     

大规模天线SWIPT的安全速率性能分析

多入单出广播系统中,现有研究均是在完整信道状态信息下来优化单用户安全速率,而实际上,系统中不可能只存在一个用户,基站往往接收到的也是不完整信道状态信息.针对此问题,提出了一种顽健性波束成形方案.在多用户情况下,考虑信道估计误差对系统安全速率的影响,采用粒子群算法来联合优化发射波束成形矢量、人工噪声协方差和功率分流比,从而在确保用户收集一定能量的同时最大化安全传输速率.仿真结果表明,所提方案相对于理想情况下的安全速率略微降低,但考虑到存在窃听用户和估计误差的情况,对实际系统具有指导意义.     

储能-发送模式的单天线两跳中继系统保密速率的优化

该文研究节点具有能量收集能力的两跳中继系统的物理层安全传输方案。考虑窃听节点与源和中继节点间都有直接链路的情况。每个数据传输时隙分为能量收集和数据传输两个阶段,各节点用收集的能量发送信号。中继采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协作干扰,保护在两跳传输中传输的保密信息。以最大化保密速率为目标,采用迭代算法优化能量吸收和数据传输两阶段的时间分配比例系数和协作干扰功率分配因子。仿真结果表明优化算法准确,优化后的协作干扰方案能显著提高系统的保密传输速率。由于考虑了窃听节点在两跳传输中都能接收到信号的可能性,文中方案更贴近实际,并解决了一个复杂的优化问题。     

有限字符输入的空间调制物理层安全传输方法

针对有限字符输入系统的无线物理层安全传输问题,提出了一种空间调制安全传输方法。该方法以信息论为基础,利用多输入多输出(MIMO,multiple-input multiple-output)系统的接收天线索引承载信息,通过切换接收天线随机化窃听者的等效信道,保证物理层安全传输。首先分析了该空间调制传输系统中合法用户和窃听者的不同接收性能。然后计算出安全传输系统的保密互信息,指出获取正的保密互信息的2个充分条件。最后给出信道互信息的估计算法,并利用有限字符集的对称性进一步降低了计算复杂度。理论分析和数据仿真验证了该安全传输方法的可行性和有效性。     

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题,提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束,以最大化系统安全速率为优化目标,在合法用户直射链路不可用的情况下,联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵,建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题;接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数,并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation, SCA)处理非凸的能量收集约束;最后基于交替优化框架,分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization, MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明,与现有方案相比,所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。     

Joint hybrid beamforming and power splitting design in millimeter-wave simultaneous wireless information and power transfer system

A joint hybrid beamforming and power splitting(JHBPS) design problem for simultaneous wireless information and power transfer(SWIPT) in millimeter-wave(mmWave) system is studied.The considered scenario is a multi-antenna base station(BS) transfers information and energy simultaneously to multiple single-antenna receivers.BS adopts hybrid digital and analog beamforming architecture to reduce hardware costs.Receivers separate acquired signals with power splitters either for information decoding(ID) or energy harvesting(EH).The aim is minimizing total transmission power by joint design of hybrid beamforming and PS under ID and EH requirements.It is difficult to obtain the optimal hybrid beamformer directly since the analog beamformer and digital beamformer are multiplied.Therefore,a two-stage algorithm is proposed to solve the problem.In the first stage,the optimal beamformer and PS ratios are obtained by solving the joint transmission beamforming and PS design problem.In the second stage,the optimal beamformer is approximated with the product of analog beamformer and digital beamformer.The superiority of proposed algorithm over the existing algorithms is demonstrated through simulations.Moreover,the effectiveness of approximation algorithm is testified.     

能量收集通信系统中功率和调制方式的在线联合优化策略

针对源节点配备能量收集装置的点对点能量收集无线通信系统,该文以最大化长期平均传输速率为目标,提出一种基于Lyapunov优化框架的在线功率控制和自适应调制联合优化策略.由于能量到达和信道状态的随机性,优化问题是一个随机优化问题.利用Lyapunov优化框架将电池操作和可用能量约束下的长期时间优化问题转化为每时隙以虚队列...