本發(fā)明涉及一種基于信噪比的多天線(xiàn)中繼系統(tǒng)物理層安全設(shè)計(jì)技術(shù)，屬于無(wú)線(xiàn)通信
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在軍事民用等各方面得到了廣泛應(yīng)用，在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)。無(wú)線(xiàn)信道的開(kāi)放性也使得信息安全問(wèn)題變得越來(lái)越突出。傳統(tǒng)的有線(xiàn)通信通常使用數(shù)據(jù)加密等方法來(lái)保障通信安全，盡管這些方法在無(wú)線(xiàn)通信中仍然可行，但它們都沒(méi)有完全彌補(bǔ)由無(wú)線(xiàn)信道的開(kāi)放性所造成的安全漏洞。研究人員發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)物理層安全傳輸?shù)姆椒▉?lái)使得無(wú)線(xiàn)通信的可靠性提高。上世紀(jì)90年代中后期，多天線(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)給無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展帶來(lái)了新的動(dòng)力。多天線(xiàn)技術(shù)可以使通信的速率得到巨大的提升。同時(shí)研究人員也發(fā)現(xiàn)，將多天線(xiàn)技術(shù)與物理層安全技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)通信的安全性。本發(fā)明在有多個(gè)竊聽(tīng)端存在的條件下，通過(guò)對(duì)多天線(xiàn)中繼的預(yù)編碼矩陣和人工噪聲協(xié)方差矩陣進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，有效提高了合法接收端的信噪比，從而使得無(wú)線(xiàn)傳輸變得安全可靠。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于竊聽(tīng)者并非本系統(tǒng)的合法用戶(hù)，很難得到其精確的信道信息。本發(fā)明僅需要竊聽(tīng)端的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息即可正常工作，保證了系統(tǒng)保密性能的魯棒性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：本發(fā)明目的在于提供一種基于信噪比的多天線(xiàn)中繼系統(tǒng)物理層安全設(shè)計(jì)方法，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化中繼端的預(yù)編碼矩陣和人工噪聲協(xié)方差矩陣，在使得竊聽(tīng)者的信噪比滿(mǎn)足保密通信的限制條件及中繼端發(fā)射功率受限的條件下，最大化合法接收端的信噪比。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于信噪比的多天線(xiàn)中繼系統(tǒng)物理層安全設(shè)計(jì)方法，將中繼端接收到的信號(hào)zr經(jīng)信號(hào)預(yù)編碼矩陣wr預(yù)編碼后疊加人工噪聲信號(hào)ur得到中繼端發(fā)送信號(hào)sr＝wrzr+ur；其中信號(hào)預(yù)編碼矩陣wr和人工噪聲自相關(guān)矩陣ωr的通過(guò)求解優(yōu)化問(wèn)題確定，所述優(yōu)化問(wèn)題是以最大化合法接收端的信號(hào)功率為目標(biāo)，以合法接收端的噪聲歸一化為1、每竊聽(tīng)端的信噪比具有最高限制以及中繼端的發(fā)射功率具有最高限制為條件。進(jìn)一步地，所述優(yōu)化問(wèn)題表示為：優(yōu)化目標(biāo)為：最大化約束條件為：其中，和ε為待優(yōu)化變量，pa表示發(fā)射端的信號(hào)功率，||·||為向量的二范數(shù)，gar表示發(fā)射端到中繼的信道，tr(·)表示矩陣的跡，gb表示中繼到合法接收端信道的自相關(guān)矩陣，為中繼端噪聲方差，表示合法接收端加性高斯白噪聲的方差，ge,i表示中繼到第i個(gè)竊聽(tīng)端信道的自相關(guān)矩陣，λe,i表示第i個(gè)竊聽(tīng)端最高信噪比限制，表示第i個(gè)竊聽(tīng)端加性高斯白噪聲的方差，n為竊聽(tīng)端數(shù)量，pmax表示中繼端最高發(fā)射功率限制；所述信號(hào)預(yù)編碼矩陣wr根據(jù)待優(yōu)化變量和ε的最優(yōu)解計(jì)算得到，所述人工噪聲自相關(guān)矩陣ωr根據(jù)待優(yōu)化變量和ε的最優(yōu)解計(jì)算得到。信號(hào)預(yù)編碼矩陣的最優(yōu)解的計(jì)算式為其中x*為優(yōu)化變量的最優(yōu)解x*進(jìn)行奇異值分解得到主奇異向量。在最優(yōu)解x*的秩不為1時(shí)，根據(jù)最優(yōu)解x*采用高斯隨機(jī)化方法得到一個(gè)秩為1的矩陣，再進(jìn)行奇異值分解得到x*。人工噪聲自相關(guān)矩陣的最優(yōu)解有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.在保證竊聽(tīng)端信噪比受限的前提下最大化合法接收端信噪比，提高了通信系統(tǒng)的傳輸安全性；2.僅需要竊聽(tīng)者信道的統(tǒng)計(jì)特性，可以應(yīng)對(duì)竊聽(tīng)者信道估計(jì)不準(zhǔn)確的情況；3.計(jì)算復(fù)雜度較低，易于工程實(shí)現(xiàn)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所提出的基于信噪比的多天線(xiàn)中繼系統(tǒng)物理層安全設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)框圖；圖2為仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種基于信噪比的多天線(xiàn)中繼系統(tǒng)物理層安全設(shè)計(jì)方法，主要包括如下步驟：步驟1，使用信號(hào)預(yù)編碼矩陣wr對(duì)中繼端接收到的信號(hào)zr進(jìn)行處理，得到y(tǒng)r，計(jì)算式為：yr＝wrzr其中，zr的表達(dá)式為pa表示發(fā)射端的信號(hào)功率，gar表示發(fā)射端到中繼的信道，sa表示發(fā)射端傳輸?shù)男盘?hào)，nr表示中繼端的加性高斯白噪聲并滿(mǎn)足e{·}表示統(tǒng)計(jì)平均運(yùn)算，(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，為中繼端噪聲方差，i為單位陣；步驟2，將人工噪聲信號(hào)加入經(jīng)預(yù)編碼處理后的信號(hào)yr，得到sr，計(jì)算式為：其中，ur為人工噪聲信號(hào)，其自相關(guān)矩陣為上述步驟中，信號(hào)預(yù)編碼矩陣wr，人工噪聲自相關(guān)矩陣ωr的確定方法為：步驟a1，設(shè)定中繼端最高發(fā)射功率限制pmax，第i個(gè)竊聽(tīng)端最高信噪比限制λe,i；步驟a2，求解如下凸優(yōu)化問(wèn)題，該優(yōu)化問(wèn)題以最大化合法接收端的信號(hào)功率為目標(biāo)，以合法接收端的噪聲歸一化為1、每竊聽(tīng)端的信噪比具有最高限制以及中繼端的發(fā)射功率具有最高限制為條件，具體表示為：優(yōu)化目標(biāo)為：最大化約束條件為其中，和ε為待優(yōu)化變量，||·||為向量的二范數(shù)，tr(·)表示矩陣的跡，gb表示中繼到合法接收端信道的自相關(guān)矩陣，定義式為表示中繼到合法接收端的信道向量，表示合法接收端加性高斯白噪聲的方差，ge,i表示中繼到第i個(gè)竊聽(tīng)端信道的自相關(guān)矩陣，定義式為表示中繼到第i個(gè)竊聽(tīng)端的信道向量，表示第i個(gè)竊聽(tīng)端加性高斯白噪聲的方差，n為竊聽(tīng)端數(shù)量；采用內(nèi)點(diǎn)法求解上述凸優(yōu)化問(wèn)題，得到優(yōu)化變量的最優(yōu)解；步驟a3，計(jì)算中間變量矩陣x*和人工噪聲自相關(guān)矩陣的最優(yōu)解計(jì)算式分別為其中和ε*分別為步驟2中和ε的最優(yōu)解；步驟a4，如果x*的秩等于1，則對(duì)x*進(jìn)行奇異值分解得到主奇異向量x*，計(jì)算最優(yōu)中繼端預(yù)編碼矩陣計(jì)算式為其中否則根據(jù)x*采用高斯隨機(jī)化方法得到一個(gè)秩為1的矩陣，再進(jìn)行奇異值分解。為了驗(yàn)證本發(fā)明效果，進(jìn)行如下仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)所涉及的參數(shù)如表1所示。表1仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)參數(shù)取值中繼天線(xiàn)數(shù)量5竊聽(tīng)端數(shù)量3發(fā)射端發(fā)射功率1w竊聽(tīng)端最高信噪比門(mén)限0db中繼端噪聲方差0.0316合法接收端噪聲方差0.1中繼到合法接收端信道不確定度0.1在仿真實(shí)驗(yàn)中，令i＝1,…,n，其中tb∈[0,1]和te∈[0,1]分別代表中繼到合法接收端信道和中繼到竊聽(tīng)者信道的不確定度，中繼到合法接收端信道均值和中繼到竊聽(tīng)者信道均值均為獨(dú)立同分布的復(fù)數(shù)高斯向量，且每個(gè)元素均值為0，方差為1。從圖2的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，合法接收端的信噪比隨著信道不確定度的減小而增加。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12