MIMO中继系统无线携能通信的物理层安全分析与优化

Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) makes efficient usage on the limited bandwidth and energy. It can not only maintain high rate information transmission, but also supply power to wireless systems at the same time. There are many unsolved important problems on the physical layer security of SWIPT in MIMO relay systems, some of which will be addressed by this project. Firstly, this project will set up practical power consumption model of MIMO relay systems, and will analyze performances of the information and power transmission efficiency and security of the systems. The results will provide theoretical basis and performance criteria for the applications of the systems. Secondly, the project will study the optimization model of physical layer security of SWIPT in MIMO relay systems, and proposed optimization design schemes according to different practical scenarios. Joint resource allocation and signal processing schemes will be designed to enhance the information security in physical layer, and to provide high information and power transmission quality. The project which stands on the frontier of the current wireless research, is important in theory, and is valuable in research and applications.

无线携能通信技术能充分利用有限的带宽和能量，在保证信息传输的同时，有效解决无线网络的能量供给问题。在MIMO中继系统中，对无线携能通信的物理层安全保障的研究还有待深化。本项目拟研究MIMO中继系统无线携能通信的物理层安全涉及的性能分析和联合优化的若干关键问题，内容包括：一、建立符合实际的系统能量开销模型，对衡量系统信息传输质量、能量传输质量、信息安全性的多个关键参数做定量的理论分析，为系统的实际使用提供性能判据；二、研究优化MIMO中继系统无线携能通信的物理层安全性的理论模型，提出适用于不同实际应用场景下的优化设计方案，通过多种资源分配和信号处理的联合优化设计，满足信息和能量同时传输的质量要求，并在物理层保障信息传输的安全性。本项目属于无线通信领域前沿性的新课题，研究内容都是无线携能通信方面的基础性和关键性的问题，具有重要的理论意义、较高的学术价值和较大的使用价值。

本项目主要研究MIMO中继无线携能通信系统的物理层安全性能分析与优化设计，内容可分为三方面：一是信息与能量传输的有效性定量分析和资源分配优化设计；二是保障物理层信息安全的波束赋形与线性收发机的联合设计和资源分配优化设计；三是无人机通信系统中提高传输效率与保障物理层安全的优化设计。项目的重要结果和科学意义在于：一、提出了准确、有效的MIMO中继无线携能通信系统性能分析方法，掌握了一套严格有效的理论分析方法，为系统的实际使用提供了性能判据和理论依据；二、提出了新颖的中继波束赋形与线性收发机的联合设计方法和资源分配优化设计方法，在无线携能通信系统中既满足了能量传输要求又增强了信息传输的物理层安全，在无人机通信系统中提高了中继通信端到端的吞吐量、增强了信息传输的物理层安全；三、提出了求解涉及的非凸优化数学问题（包括：分式二次约束二次规划、二次分式规划、二次约束二次规划问题、差凸规划问题）的低复杂度新方法，在差凸凸近似、鲁棒约束条件的映射变换，双凸函数的等价变换等非凸优化算法设计理论方面进行创新，掌握了一套有效的非凸优化求解数学工具。在项目执行期间，共发表学术论文23篇，其中有10篇被SCI收录、18篇被EI收录、5篇为核心期刊论文；申请发明专利12件；培养硕士研究生8名，圆满完成了预期的研究任务。