认知MIMO广播信道中AN辅助保密预编码与SWIPT策略

"1632 IEEECOMMUNICATIONSLETTERS,VOL.19,NO.9,SEPTEMBER2015 AN-AidedSecrecyPrecodingforSWIPTin CognitiveMIMOBroadcastChannels BingFang,ZupingQian,WeiZhong,andWeiShao 摘要—在这篇信件中，我们研究了在认知多输入多输出（MIMO）广播信道中，同时进行无线信息和功率传输（SWIPT）时的保密预编码问题。我们采用了人工噪声（AN）辅助的预编码策略，并将这个问题构造成一个保密率最大化的（SRM）问题。这个问题既要考虑保护主要用户（PU）免受干扰的功率限制，还要满足次要能量接收器（SER）所需的能量收集约束。由于提出的SRM问题属于差分凸（DC）类型的编程问题，我们采用了逐次凸逼近（SCA）方法来解决这个问题。通过SCA方法，我们可以将SRM问题中的非凸部分近似为它的第一阶泰勒展开，从而实现局部线性化。然后，基于解决一系列凸优化子问题，我们设计了一种迭代预编码算法。进行了数值仿真以验证所提算法的效果。结果表明，我们的算法能够在保证收敛性的前提下，实现接近最优的性能。 本文的重点在于如何在认知无线电网络中实现安全的信息传输和能量采集。MIMO技术允许多个数据流同时传输，增加了频谱效率，但同时也带来了潜在的安全风险。为了解决这一问题，引入了AN辅助预编码，通过发送额外的噪声干扰，干扰潜在的窃听者，提高系统的安全性。而SWIPT技术则允许设备在接收信息的同时收集无线能量，为物联网（IoT）等低功耗设备提供了新的可能性。 SRM问题的提出是基于对通信系统保密性的需求。它旨在最大化秘密信息的传输速率，同时确保PU的正常工作并满足SER的能量需求。采用SCA方法的优势在于，它可以处理非凸优化问题，通过逐步逼近的方式找到接近全局最优解的解决方案。每一步迭代都涉及到解决一个凸优化问题，这使得算法在计算上更易于实现。 在实际应用中，通过数值模拟，展示了提出的预编码算法在不同场景下的性能。这些模拟结果证实了算法的有效性，无论是在干扰抑制还是能量收集方面，都能达到理想的效果。此外，算法的收敛性也得到了验证，这意味着在有限的迭代次数内，系统性能将趋于稳定。 这项工作为认知MIMO广播信道中的安全SWIPT提供了一个实用的解决方案，结合了AN辅助预编码、SRM优化和SCA技术，为未来无线通信网络的设计提供了理论指导。它强调了在保障通信安全性和能效之间取得平衡的重要性，这对于发展未来的绿色和安全的无线通信系统至关重要。"