的人工噪聲（GAN,generalized artificial noise),即運樣的人工噪聲不需要被限制在合法信道的零空間中，它也可W位于信號空間 中。因此，運樣一般性的人工噪聲也可能會對合法用戶產(chǎn)生干擾，但由于它更具有靈活性和 普遍性，因此可W提高系統(tǒng)的性能，也就是提高系統(tǒng)的安全速率。本發(fā)明所利用的人工噪聲 除了干擾竊聽者，還可W同時攜帶能量進行無線傳輸，使得能量接收機收集更多的能量。
[0149] 本發(fā)明還提供一種利用人工噪聲提高MIS0安全通信系統(tǒng)安全速率的系統(tǒng)，如圖3 所示，包括：
[0150] 信息處理模塊10,用于將發(fā)送信號疊加到人工噪聲中得到攜帶信息。
[0151] 為了干擾竊聽者，增強物理層的安全性，發(fā)送端利用人工噪聲來傳輸信息，也就是 把發(fā)送信號疊加在人工噪聲中。具體來說，攜帶信息的信號向量包括發(fā)送信號和人工噪聲 兩部分，即信號向量可W表示為
[0152] X 二 U+V (3)
[0153] 其中，向量U-CV(0，S。）和V~相互獨立，分別表示發(fā)送信號和人工噪 聲。Su =胚[uu] hO為發(fā)送信號U的協(xié)方差矩陣、Sy =昭[w]芭0為人工噪聲V的協(xié)方差矩 陣。需要注意的是，人工噪聲向量V不一定是位于合法信道hs的零空間中。
[0154] 發(fā)射模塊20，用于發(fā)射攜帶信息。
[0155] 能量接收端接收能量時不需要把接收到的信號從射頻波段轉(zhuǎn)化成基帶波段，因 此，能量接收端所能夠接收到的最大射頻能量可w表示為
[0156]
(4)
[0157] 其中，P含1稱為能量系數(shù)，表示把接收到的能量轉(zhuǎn)化成電能過程中的損耗。如無特 別說明，本發(fā)明均假定P=l。
[0158] 在本發(fā)明所使用的系統(tǒng)模型中，能量接收端接收到的能量用Q表示，Q應滿足0<Q < Qmax，其中Qmax的表達式如下：
[0159] ^ax = glP. (5)
[0160] 其中，gi表示能量信道g的最大奇異值，P =胺Oxlf]表示發(fā)送端的最大發(fā)射功率。 運樣，發(fā)射端的發(fā)射功率約束可W表示為
[0161] tr(Su+Sv) <P. (6)
[0162] 其中，Q為能量接收端接收到的無線能量;g為能量信道矩陣;tr表示矩陣的跡。
[0163] 能量接收模塊30,用于接收無線能量。
[0164] 發(fā)送端發(fā)射的信息中包含發(fā)送信號和人工噪聲，它們作為射頻信號都攜帶能量， 因此，它們也作為無線能量的形式被能量接收端所接收。能量接收端接收到的無線能量可 W表示為：
[01 化]
(7)
[0166] 安全容量計算模塊40,用于根據(jù)人工噪聲的協(xié)方差矩陣、發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣、 信息信道矩陣和竊聽信道矩陣，假定發(fā)射端知曉信息信道、能量信道和竊聽信道的完美信 道狀態(tài)，計算信息接收端獲取的安全容量為：
[0167]
(8)
[016引其中，R為安全容量，hs為信息信道矩陣，g€CWxi;he為竊聽信道矩陣。
[0169] 安全速率最大化模塊50,用于根據(jù)安全容量優(yōu)化發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣Su和人工 噪聲的協(xié)方差矩陣Sv，使得信息接收端在發(fā)射功率和能量口限約束的條件下，最大化獲得 的安全速率。
[0170] 對于合法用戶和竊聽者都在同一個系統(tǒng)的情形，發(fā)送端可W在空間中生成特定方 向的人工噪聲，比如生成沿著竊聽者信道方向的人工噪聲來干擾竊聽者。運樣就可W利用 竊聽信道的信道狀態(tài)信息，生成只針對竊聽者進行干擾的人工噪聲，而不需要在合法信道 的整個零空間生成人工噪聲，從而更有效地對竊聽者進行干擾，防止信息被竊取。
[0171] 本發(fā)明的利用人工噪聲提高MISO安全通信系統(tǒng)安全速率的系統(tǒng)，對于合法用戶和 竊聽者都在同一個系統(tǒng)的情形，發(fā)送端可W在空間中生成特定方向的人工噪聲，比如生成 沿著竊聽者信道方向的人工噪聲來干擾竊聽者。運樣就可W利用竊聽信道的信道狀態(tài)信 息，生成只針對竊聽者進行干擾的人工噪聲，而不需要在合法信道的整個零空間生成人工 噪聲，從而更有效地對竊聽者進行干擾，防止信息被竊取。
[0172] 具體的，安全速率最大化模塊包括：
[0173] 第一優(yōu)化單元，用于根據(jù)發(fā)射端的發(fā)射功率約束和能量接收端接收的無線能量W 及安全容量將利用人工噪聲提高MISO安全通信系統(tǒng)安全速率的表示為第一優(yōu)化問題。
[0174] 第一優(yōu)化問題為：
[0175]
(9)
[0176] 第一優(yōu)化問題(9)的目標函數(shù)是兩個對數(shù)函數(shù)的差值，它不是一個凸函數(shù)或者凹 函數(shù)。
[0177] 第二優(yōu)化單元，用于引入松弛變量II，將第一優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為第二優(yōu)化問題。第二 優(yōu)化問題為：
[0178]
(10)
[0179] 其中，log巧為發(fā)射端與竊聽端的最大的互信息；
[0180] 安全速率計算單元，用于通過改變II，得到最大化可W獲得的安全速率。
[0181] 從物理意義上來說，log巧可W看作是發(fā)送端和竊聽者之間最大的互信息，也就是 竊聽者能夠獲得關于發(fā)送端發(fā)送信息賭的最大值。通過調(diào)整n，就能夠控制發(fā)送端與竊聽者 之間的互信息，從而改變系統(tǒng)的安全速率。
[0182] 在另一種實施方式中，安全速率計算單元包括：
[0183] 設置單元，用于設置η >1。
[0184] 第Ξ優(yōu)化單元，用于根據(jù)安全容量大于或等于0,發(fā)信送號的協(xié)方差矩陣Su to， W及tr(Su)含p，得到η的上界，并根據(jù)η的上界，將第二優(yōu)化問題簡化為第Ξ優(yōu)化問題。
[0185] 具體的，由于第二安全問題（10)的目標函數(shù)R要求大于或者等于0,因此有如下關 系式：
[0186]
( 11 )
[0187]另外一方面，對于所有的發(fā)信送號的協(xié)方差矩陣S,, to,可W得到關系式，
[018引
（12 )
[0189] W及tr(Su)<P，可W得至Ijn的上界為
[0190] n< 1+P| |hs| p (13)
[0191] 第Ξ優(yōu)化問題為： 到
(14)
[0193] 由于對數(shù)函數(shù)是一個單調(diào)遞增函數(shù)，因此優(yōu)化問題（14)中省略了對數(shù)符號。觀察 整個優(yōu)化問題（14)，目標函數(shù)的分子包含優(yōu)化變量Su和Sv，分母包含優(yōu)化變量Sv與η的乘積， 因此目標函數(shù)還不是一個凸函數(shù)或者凹函數(shù)。約束條件中，第一個也包含Sv與η的乘積，因 此約束條件所構成的可行域也不是凸的，運說明第Ξ優(yōu)化問題（14)還不是一個凸優(yōu)化問 題。為了進一步求解運個問題，執(zhí)行步驟：
[0194] 第四優(yōu)化單元，用于引入變量Γ和Σ，并使其滿足式子，
[0195] Su= Γ/Θ,8ν= Σ/θ,θ>〇. (15)
[0196] 并根據(jù)化arnes-Cooper變換，將第Ξ優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為第四優(yōu)化問題，第四優(yōu)化問 題為：
[0197]
(巧)
[0198] 第四優(yōu)化問題（16)的目標函數(shù)是Θ，Γ和Σ的線性函數(shù)，因此也是凸的，第一和第 二個約束是非凸的，因此整個問題還不是一個凸優(yōu)化問題。但是如果η已知的話，那么整個 優(yōu)化問題（16)就是一個凸的半正定規(guī)劃問題。
[0199] 最優(yōu)解計算單元，使用半正定規(guī)劃的最優(yōu)一維線性捜索的算法對變量η進行一維 的線性捜索得到第四優(yōu)化問題的解（Γ°，Σ°，Θ°)，并根據(jù)第四優(yōu)化問題的解、變量Γ和Σ的 滿足條件得到協(xié)方差矩陣Su和人工噪聲的協(xié)方差矩陣Sv的最優(yōu)解。
[0200] 具體的，最優(yōu)解計算單元，具體用于：
[0201] 基于半正定規(guī)劃的最優(yōu)一維線性捜索的算法，η的求解方程為：
[0202]
( 17 )
[0203] 其中，f (η)為Wn為變量的函數(shù)，f (η)的優(yōu)化問題為：
[0204]
( 18 )
[0205] 對變量η在其取值范圍內(nèi)進行一維的線性捜索，得到f (η)的優(yōu)化問題的解，使f (η) 達到最大值，得到第四優(yōu)化問題的解（?！?，Σ°，Θ°)。
[0206] 當η已知時，優(yōu)化問題（18)是一個凸的半正定規(guī)劃問題，而凸的半正定規(guī)劃問題可 W用內(nèi)點法進行求解。因此通過對變量η在其取值范圍內(nèi)進行一維的線性捜索，對于捜索中 的每一個η，求解優(yōu)化問題（18)，使得f (η)達到最大值，運樣就可W得到優(yōu)化問題（16)的解 0-。，Σ。，白。)。
[0207] 根據(jù)第四優(yōu)化問題的解（?！?，Σ°，θ°)、變量Γ和Σ的滿足條件，得到協(xié)方差矩陣Su 和人工噪聲的協(xié)方差矩陣Sv的最優(yōu)解。
[020引具體的，根據(jù)第四優(yōu)化問題的解（Γ °，Σ °，θ°) W及變量Γ和Σ的滿足條件問題 (15)，得到協(xié)方差矩陣Su和人工噪聲的協(xié)方差矩陣Sv的最優(yōu)解?、S;;，S:；)。
[0209] 本發(fā)明利用的人工噪聲是一般性的人工噪聲（GAN,generalized adificial noise),即運樣的人工噪聲不需要被限制在合法信道的零空間中，它也可W位于信號空間 中。因此，運樣一般性的人工噪聲也可能會對合法用戶產(chǎn)生干擾，但由于它更具有靈活性和 普遍性，因此可W提高系統(tǒng)的性能，也就是提高系統(tǒng)的安全速率。本發(fā)明所利用的人工噪聲 除了干擾竊聽者，還可W同時攜帶能量進行無線傳輸，使得能量接收機收集更多的能量。
[0210] 本發(fā)明還提供一種MIS0安全通信系統(tǒng)，如圖1所示，包括發(fā)送端、信息接收端、能量 接收端、竊聽端、W及本發(fā)明的利用人工噪聲提高MIS0安全通信系統(tǒng)安全速率的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)中，發(fā)送端有多根天線，信息接收端、能量接收端、竊聽端各有單根天線。
[0211] 通過利用計算機對本發(fā)明設計的MIS0安全通信無線攜能系統(tǒng)中的基于半正定規(guī) 劃的最優(yōu)一維線性捜索算法策略進行驗證。本發(fā)明設計的人工噪聲提升了該系統(tǒng)的性能。 當系統(tǒng)有利用人工噪聲來同時無線傳輸信息與能量時，系統(tǒng)的安全速率比沒有利用人工噪 聲所獲得的安全速率要更大。