文献综述（或调研报告）：
高数据速率通信的指数增长引发了对带宽和能量等无线电资源的巨大需求。在满足服务质量（QoS）要求的同时降低无线系统的能量和带宽消耗的重要技术是多输入多输出（MIMO），因为它为有效的资源分配提供了额外的自由度。然而，由于MIMO接收器的计算复杂性很高，在实践中可能难以实现MIMO增益。作为替代，多用户MIMO（MU-MIMO）已经被提出作为用于实现MIMO性能增益的有效技术。特别地，在MU-MIMO系统中，配备有多个天线（例如，基站（BS））的发射器服务于多个单天线用户，其将计算复杂度从接收器转移到发射器[2]。然而，即使采用MU-MIMO，频谱资源仍然未得到充分利用，只要BS以传统的半双工（HD）模式操作，其中上行链路（UL）和下行链路（DL）通信在任一时间或者正交地分开，这会导致频谱效率的显着下降。
全双工（FD）无线通信最近受到学术界和工业界的极大关注，且被认为是实现未来5G网络所需吞吐量增益的关键支持技术之一。因为它有可能使现有无线通信系统的频谱效率翻倍[3] - [9]。与传统的HD传输相比，FD能够以相同的频率同时进行DL和UL传输。即允许无线电使用相同的中心频率同时发送和接收数据信号，因此只要能够正确利用其全部潜力，它就能够将现有系统的频谱效率提高一倍。各种研究小组已经开发了许多带内全双工无线电的真实演示，这表明这个概念确实可行。然而，实际上，FD通信中的主要挑战是由DL传输到UL信号接收的信号泄漏引起的自干扰（SI）。通常FD收发器中的发射和接收天线没有很好地分离。因此，SI路径中的损耗远小于所接收的感兴趣信号的衰减。结果，在没有物理隔离或消除的情况下，SI可以压倒接收器的动态范围，使得无法检测输入信号。虽然[3]和[4]报道了通过模拟电路和数字信号处理可以部分地消除SI，但如果没有适当控制，剩余的SI仍会严重降低FD系统的性能。此外，由UL传输引起的同信道干扰（CCI）损害了DL传输。因此， FD系统的不同资源分配设计被提出并研究以克服这些挑战[5]。例如，[6]的作者研究了MIMO FD单用户中继系统的端到端中断概率。在[7]中，一种资源分配算法被提出，用于最大化多载波MIMO FD中继系统的端到端系统数据速率。在[8]中，大规模MIMO应用于FD中继系统，以促进SI抑制并提高频谱效率。在[9]中研究了通过FD BS在很小的小区中的同时DL和UL传输，其中设计了次优DL波束形成器以提高系统吞吐量。
另一方面，由于无线介质的广播性质，安全性是无线通信的关键问题。传统上，安全通信是通过在应用层进行加密来实现的，并且基于窃听者的有限计算能力的假设。然而，新的计算技术（例如量子计算机）可能使该假设无效，这导致传统安全通信方法的潜在漏洞。[10]中的开创性工作提出了一种通过利用物理层中信道的性质来提供完全安全通信的替代方法。具体而言，[10]表明，只要信息接收者享有比窃听者更好的信道条件，就可以实现安全通信。受此发现的启发，多天线传输被提出以确保通信安全性[11] - [16]，因为多个天线提供空间自由度，可用于降低窃听者信道条件。特别的，传输人工噪声（AN）是故意损害窃听者信息接收的有效手段[13]。在[14]中，设计了一种功率分配算法，用于通过产生AN来最大化保密性能力。[15]的作者通过在大规模MIMO系统中生成空间选择性AN，提出了一种用于保密提供的发送波束成形方法。在[16]中，研究了联合发射信号和AN协方差矩阵优化以实现保密率最大化。然而，所有上述工作都集中在HD系统上，并且所获得的结果可能不适用于FD通信系统。实际上，对于FD通信系统，由于UL和DL同时传输，UL和DL用户都面临窃听的风险。因此，有必要同时确保DL和UL的通信安全性。尽管在文献[14] - [16]中已经详尽地研究了利用多天线HD BS保证DL安全性，但是无法通过HD BS来保证UL通信，HD BS可以在每个时刻执行发送或接收，但不能同时执行两者，因此，不能将窃听者堵塞在UL中。另一方面，单天线UL用户缺乏所需的空间自由度以确保通信保密。多天线FD BS由于其固有的同时发送和接收能力而成为解决该问题的有希望的解决方案。
FD系统中安全通信的概念最近受到了一些关注。在[17]中，提出了FD BS的联合信息波束形成和干扰波束形成以保证DL和UL安全性。然而，[17]假设在DL和UL用户之间不存在同信道干扰，并且FD BS处的自干扰可以被完美地取消，这对于实际FD系统可能是过于乐观的假设。此外，[17]还假设窃听者信道状态信息（CSI）在FD BS中是完全已知的，这是非常理想化的。实际上，系统中的一些空闲用户（例如漫游用户）可能行为不端并窃听合法用户的信号。由于它们与BS的不连续交互，可能无法获得这些潜在窃听者的完美的信道状态信息。[18]的作者提出了一种最优功率分配算法，以保证仅采用窃听信道的统计CSI的FD接收机的安全通信。在[19]中，针对不完美CSI的鲁棒波束形成研究了双向FD通信系统。然而，由于所考虑的系统模型的显着差异，[18]和[19]中提出的安全通信方法不能直接应用于FD MU-MIMO无线通信系统。此外，据作者所知，尚未在文献中研究过功率高效的安全FD通信。具体而言，总DL和总UL发射功率最小化是安全FD通信网络中的冲突设计目标。
在[1]中，作者在多目标优化框架下研究了FD系统的功率有效资源分配算法，该算法揭示了总DL和总UL功耗之间的权衡。然而，研究这种权衡仍然是安全FD系统的开放性问题。此外，在[1]中，假设了完美的对信道状态信息的了解。
参考文献：
[1] Y. Sun, D. W. K. Ng, and R. Schober, “Multi-objective optimization for power efficient full-duplex wireless communication systems,” in Proc. IEEE Global Commun. Conf., Dec. 2015, pp. 1–6.
