一种电力线通信系统的物理层通信方法及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据信道矩阵确定功率分配矩阵；根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。编码矩阵随信道矩阵不断变化，窃取者无从下手，提高了电力线通信系统的安全性。本发明专利技术还公开了一种电力线通信系统的物理层通信设备，具有如上物理层通信方法相同的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种电力线通信系统的物理层通信方法及设备
本专利技术涉及电力线通信领域，特别是涉及一种电力线通信系统的物理层通信方法，本专利技术还涉及一种电力线通信系统的物理层通信设备。
技术介绍
在电力输送基础设施上进行通信被称为电力线通信。电力线通信利用现有电力线进行高速数据传输，可极大节省成本和时间。由于电力线通信系统本质上是一个广播通信系统，其中的信息流被共享于用户间的通信网中，这意味着发射机发射的信号能够被所有的接收机获得。换句话说，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听，存在隐私泄露的风险，甚至会导致大规模电力故障。基于这种情形，如何确保信息的安全可靠传输就变得尤其重要。传统的电力线通信一般可采用两种主要方式进行实现：第一种是在ISO(文件传输访问和管理协议)/OSI(OpenSystemInterconnection，开放式系统互联)系统上层编码实现；第二种是利用物理信道信息在物理层上实现。两种通信方式都采用固定的加密算法对信号进行加密，很容易被破解，信息容易被窃取，电力线通信系统的安全性较差。因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电力线通信系统的物理层通信方法，提高了电力线通信系统的安全性；本专利技术的另一目的是提供一种电力线通信系统的物理层通信设备，提高了电力线通信系统的安全性。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括：每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵；根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据所述发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据所述功率分配矩阵对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。优选地，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值；计算所述接收信号估计值的均方差；根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵。优选地，所述接收信号估计值为：其中，为所述接收信号估计值，Hb为所述信道矩阵，Rb为所述合法接收端的接收解码矩阵，nb为所述合法接收端的零均值复高斯噪声，T为发射预编码矩阵，Γ为人工噪声编码矩阵，s为有用信号，z为人工噪声矢量；则所述计算所述接收信号估计值的均方差具体为：其中，MSEb(T,Γ,Rb)为所述接收信号估计值的均方差，E{eeH}为eeH的期望值，I为单位矩阵，σn2为与所述信道矩阵对应的电力线传输通道上零均值复高斯噪声矢量的方差，H为共轭转置。优选地，所述根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵具体为：以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以所述均方差最小化为目标函数建立第一函数模型：s.t.Tr(TTH)+Tr(ΓΓH)≤Pa其中，Pa为预先设定的发射功率值，Tr(·)表示求矩阵的迹；将所述第一函数模型简化得到第二函数模型：s.t.1Tp≤P0,p≥0其中，p为所述功率分配矩阵，1T为所有元素都为1的列向量，1T的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，B为整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率，1Tp≤P0中的1Tp为合法信道功率之和，P0为满足预设均方差的最大发射功率；求解所述第二函数模型得到所述功率分配矩阵。优选地，所述根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解具体为：根据求解所述发射预编码矩阵的最优解；其中，V为半酉矩阵，所述V的列元素为矩阵的B个递增排序的最大特征值对应的特征矢量。优选地，所述根据所述功率分配矩阵计算出人工噪声编码矩阵的最优解具体为：根据求解得到所述人工噪声编码矩阵的最优解；其中，Γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，V′为由剩余的Na-N个特征向量构成的矩阵，Na为发射端电力线通信信道数目，N为所述功率分配矩阵中用来发射所述编码发射信号的电力线通信信道数目，Na-N为用来发射所述编码人工噪声的电力线通信信道数目，Na＞B，且优选地，所述计算所述接收信号估计值的均方差之后，该物理层通信方法还包括：计算所述均方差的最优解；判断所述均方差的最优解是否不大于预设均方差；否则重新根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值，直至所述均方差的最优解不大于所述预设均方差。优选地，所述计算所述均方差的最优解具体为：根据所述第一函数模型计算得到所述接收解码矩阵的最优解；将所述接收解码矩阵的最优解代入所述均方差中得到所述均方差的最优解。优选地，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵的最优解；则所述根据所述功率分配矩阵、所述编码发射信号以及所述编码人工噪声构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信具体为：根据所述功率分配矩阵的最优解对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。为解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种电力线通信系统的物理层通信设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述电力线通信系统的物理层通信方法的步骤。本专利技术提供了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据信道矩阵确定功率分配矩阵；根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。可见，本专利技术中，每次发射信号前根据合法接收端当前的信道矩阵确定出功率分配矩阵，进而计算出发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解，由于发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解都是根据当前的信道矩阵确定出来的，且信道矩阵处于时刻变化的状态，因此根据发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解也是时刻变化的，编码方式的不断变化意味着窃取者没有针对性，难以破解编码后的发射信号，提高了电力线通信系统的安全性，且通过发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解进行编码可以保证合法用户的正常通信，符合通信标准。本专利技术还提供了一种电力线通信系统的物理层通信设备，具有如上物理层通信方法相同的有益效果。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的一种电力线通信系统的物理层通信方法的流程示意图；图2为本专利技术提供的一种2×2输入输出系统中最大功率约束下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；图3为本专利技术提供的一种2×3输入输出系统中最大功率约束下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；图4为本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力线通信系统的物理层通信方法，其特征在于，包括：每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵；根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据所述发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据所述功率分配矩阵对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。

【技术特征摘要】
1.一种电力线通信系统的物理层通信方法，其特征在于，包括：每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵；根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据所述发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据所述功率分配矩阵对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。2.根据权利要求1所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值；计算所述接收信号估计值的均方差；根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵。3.根据权利要求2所述的物理层通信方法，其特征在于，所述接收信号估计值为：其中，为所述接收信号估计值，Hb为所述信道矩阵，Rb为所述合法接收端的接收解码矩阵，nb为所述合法接收端的零均值复高斯噪声，T为发射预编码矩阵，Γ为人工噪声编码矩阵，s为有用信号，z为人工噪声矢量；则所述计算所述接收信号估计值的均方差具体为：其中，MSEb(T,Γ,Rb)为所述接收信号估计值的均方差，Ε{eeH}为eeH的期望值，I为单位矩阵，σn2为与所述信道矩阵对应的电力线传输通道上零均值复高斯噪声矢量的方差，H为共轭转置。4.根据权利要求3所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵具体为：以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以所述均方差最小化为目标函数建立第一函数模型：s.t.Tr(TTH)+Tr(ΓΓH)≤Pa其中，Pa为预先设定的发射功率值，Tr(·)表示求矩阵的迹；将所述第一函数模型简化得到第二函数模型：s.t.1Tp≤P0,p≥0其中，p为所述功率分配矩阵，1T为所有元素都为1的列向量，1T的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，B为整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率，1Tp≤P0中的1Tp为合法信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张乐平，肖勇，金鑫，胡珊珊，罗鸿轩，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，中国南方电网有限责任公司，中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，
类型：发明
国别省市：广东,44