基于射频能量采集的物理层安全传输关键技术研究

RF energy harvesting (EH) is an emerging technique to solve energy scarcity problem for energy-constrained devices, which extract energy from RF signals. However, the received RF signals at energy receivers contain messages for information receivers, which leads to serious information leakage in EH systems. This project aims to combat eavesdropping in EH systems through physical-layer security (PLS). The following research contents are included..Firstly, the wiretap channel model of EH systems will be intensively studied, based on which, the relationship between security performance and system parameters will be analyzed..Secondly, this project will further explore the combination of multi-antenna, artificial noise and beamforming techniques to develop secure and energy-efficient signal transmitting schemes..Thirdly, to combat near-far problem, multi-relay cooperative transmission will be exploited with a dynamic relay selection strategy and a secure cooperation protocol..Moreover, dynamic resource allocation such as time and power will be intensively investigated through comprehensive utilization of system parameters..The research of this project will reduce the information leakage of EH systems, and provide important significance on promoting the practical application of EH and PLS.

射频能量采集是一种从射频信号中提取能量的技术，该技术可为能量受限网络缓解能量稀缺问题。由于射频信号中往往也含有其他用户的信息，因此能量采集系统面临着严重的信息安全威胁。本项目拟研究基于射频能量采集的物理层安全传输技术。具体包括：（1）对能量采集系统中的窃听信道建模并深入分析其安全性能与系统参数的关系；（2）将多天线技术与人工噪声、波束成形等技术相结合，发展安全、高能效的信号发射方案；（3）利用多中继协作传输对抗远近效应，探索自适应中继选择策略与高安全协作传输协议；（4）综合利用系统参数实现时间、功率等资源的动态配置。本项目的研究可降低能量采集系统的信息泄露风险，对于推动能量采集技术与物理层安全技术的实际应用具有重要意义。

本项目以能量采集技术与物理层安全技术的结合为研究对象，对能量采集无线通信系统中的信号安全传输方案、资源分配策略、物理层安全性能等重要方面进行了深入研究。.首先针对能量采集中继辅助的全双工通信系统，利用全双工用户发送人工噪声，并对保密信号和人工噪声信号进行波束成形，在考虑全双工自干扰的前提下，为功率分割协议和混合时间切换-功率分割协议下的中继SWIPT通信系统分别发展了高安全速率的资源分配与波束成形方案。.其次针对大规模MIMO SWIPT系统，本项目考虑了信号在时域分割、功率域分割和时间-功率混合分割三种不同方式，面向用户公平性、频谱效率、信息传输效率、能量传输效率等指标，优化了信号的时间资源与功率资源的分配，形成了相应的信号传输方案，从而实现了系统性能的有效提升。.第三将物理层安全技术与非正交多址接入技术相融合，利用中继、智能反射面和同时传输反射的智能反射面进行协作传输，通过对源端天线、中继节点的选择以及功率分配、反射/透射相移优化等方法提升系统安全性，并对信道分布采用不同的近似方法获得了系统的安全中断性能的闭式表达。此外，还对系统的渐近安全中断概率与安全分集度等指标做了深入探讨。.最后，本项目还考虑了多对用户同时通信的SWIPT场景，面向用户对速率和采集能量的双需求，充分考虑线性与非线性两种能量采集模型，在先进行信息用户与能量用户分组的基础上深入探索了对用户间干扰的利用与管理，对信息用户进行干扰对齐以提升信干噪比，同时把干扰作为能量用户的能量来源。本项目构建了双目标优化问题，给出了高速率、高采集能量的发射预编码和接收解码方案。.本项目顺利取得了一系列获得国内外认可的研究成果，完成了预期的项目指标，并为能量采集系统中的物理层安全技术发展提供了充分的理论依据和技术支撑。