本发明专利技术涉及一种利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法和系统，该方法对于合法用户和窃听者都在同一个系统的情形，发送端可以在空间中生成特定方向的人工噪声，比如生成沿着窃听者信道方向的人工噪声来干扰窃听者。这样就可以利用窃听信道的信道状态信息，生成只针对窃听者进行干扰的人工噪声，而不需要在合法信道的整个零空间生成人工噪声，从而更有效地对窃听者进行干扰，防止信息被窃取。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及无线通信的物理层安全领域，特别是设及利用人工噪声提高MIS0安全 通信系统安全速率的方法和系统。
技术介绍
无线通信技术已经融入到了人们生活中的各个部分，给人们的工作和生活带来了 巨大变革。人们在享受无线通信技术带来的便捷的同时，也面临着各种各样的困扰。其中， 安全通信便是无线通信面临的巨大挑战。由于越来越多的私人和商业信息通过无线通信网 络进行传输，信息安全也就变得越来越重要。而无线通信的广播特性使得窃听甚至截获信 息都变得相对容易。只要拥有合适的接收设备，任何人都可W侦听本地区的所有无线传输， 而且运种侦听极难被发现。 对于存在窃听者的无线通信系统中的安全通信问题，传统的解决方法包括设计有 效的编码和利用公共信道发送密钥。信息论的无线通信安全主要是利用物理层的特性，如 衰落，噪声等来提高通信的安全。由于物理层的安全机制和上层的安全机制是独立的，所W 把物理层的安全策略应用于上层的密钥保护措施中，使得无线通信系统的安全性得到进一 步提高。特别是密钥管理上，如果密钥的传输考虑到物理层的安全机制，那么将会进一步提 高密钥管理的安全性，从而提高整个通信的安全。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的方法和 系统。 -种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的方法，包括： 发射端将发送信号叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述发送 信号和所述人工噪声； 发射端发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为：[000引 tr(Su+Sv)<P 其中，s"=抵[U叫to为发送信号的协方差矩阵、Sv=抵为人工噪声的 协方差矩阵;P为所述发送端的最大发射功率； 能量接收端接收无线能量，能量接收端接收到的无线能量为： g;(s"+s、）g>a 其中，Q为能量接收端接收到的无线能量;g为能量信道矩阵； 根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述发送信号的协方差矩阵、信息信道矩阵和 窃听信道矩阵，假定发射端知晓信息信道、能量信道和窃听信道的完美信道状态，计算信息 接收端获取的安全容量为：[001引其中，R为安全容量，hs为信息信道矩阵，he为窃听信道矩阵； 根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差 矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下，最大化获得的安全速率。 在其中一种实施方式中，所述优化所述发送信号的协方差矩阵Su和所述人工噪声 的协方差矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下，最大化可W获得 的安全速率的步骤包括： 根据所述发射端的发射功率约束和所述能量接收端接收的无线能量W及所述安 全容量将利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的表示为第一优化问题，所述第一 优化问题为： 引入松弛变量II，将所述第一优化问题转化为第二优化问题，所述第二优化问题 为： 其中，log2il为发射端与窃听端的最大的互信息，通过改变η，得到所述最大化可W 获得的安全速率。 在其中一种实施方式中，所述通过改变II，得到所述最大化可W获得的安全速率的 步骤包括： 设置η Μ ;根据所述安全容量大于或等于0，发信送号的协方差矩阵Su t 0，W及化(Su) < Ρ， 得到η的上界，并根据η的上界，将所述第二优化问题简化为第Ξ优化问题；其中，η的上界为： η< ι+Ρ| |hs| p. 所述第Ξ优化问题为： 引入变量Γ和Σ，根据化arnes-Cooper变换，将所述第Ξ优化问题转换为第四优 化问题，所述第四优化问题为： 其中，变量Γ和Σ满足条件Su= Γ/θ，5ν=Σ/^θ，目>0. 使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量η进行一维的线性捜索得到所 述第四优化问题的解（Γ °，Σ°，θ°)，并根据所述第四优化问题的解、变量Γ和Σ的满足条件 得到协方差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。 在其中一种实施方式中，所述使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量 η进行一维的线性捜索得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°)，并根据所述第四优化问题 的解、变量Γ和Σ的满足条件得到协方差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解的步 骤包括： 基于半正定规划的最优一维线性捜索的算法，所述η的求解方程为： 其中，f (η)为Wn为变量的函数，f (η)的优化问题为：[00；3 引 对变量η在其取值范围内进行一维的线性捜索，得到所述f (η)的优化问题的解，使 所述f(n)达到最大值，得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°); 根据所述第四优化问题的解（Γ °，Σ °，θ°)、所述变量Γ和Σ的满足条件，得到协方 差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。 -种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的系统，包括： 信息处理模块，用于将发送信号叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息 包括所述发送信号和所述人工噪声； 发射端模块，用于发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为： tr(Su+Sv) <P 其中，为发送信号的协方差矩阵对人工噪声的 协方差矩阵;P为所述发送端的最大发射功率； 能量接收模块，用于接收无线能量，能量接收端接收到的无线能量为： 其中，Q为能量接收端接收到的无线能量;g为能量信道矩阵； 安全容量计算模块，用于根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述发送信号的协方 差矩阵、信息信道矩阵和窃听信道矩阵，假定发射端知晓信息信道、能量信道和窃听信道的 完美信道状态，计算信息接收端获取的安全容量为： 其中，R为安全容量，hs为信息信道矩阵，he为窃听信道矩阵； 安全速率最大化模块，用于根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵Su 和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下， 最大化获得的安全速率。 在其中一种实施方式中，所述安全速率最大化模块包括： 第一优化单元，用于根据所述发射端的发射功率约束和所述能量接收端接收的无 线能量W及所述安全容量将利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的表示为第一 优化问题，所述第一优化问题为： 第二优化单元，用于引入松弛变量II，将所述第一优化问题转化为第二优化问题， 所述第二优化问题为：[005引其中，log巧为发射端与窃听端的最大的互信息； 安全速率计算单元，用于通过改变n，得到所述最大化可W获得的安全速率。 在其中一种实施方式中，所述安全速率计算单元，包括： 设置单元，用于设置η>?; 第Ξ优化单元，用于根据所述安全容量大于或等于0,发信送号的协方差矩阵 S|, to，W及tr(Su) <ρ，得至Ijn的上界，并根据η的上界，将所述第二优化问题简化为第Ξ优 化问题， 其中，η的上界为： η< 1+ρ| |hs| p.所述第Ξ优化问题为： 第四优化单元，用于引入变量Γ和Σ，根据化arnes-Cooper变换，将所述第Ξ优化 问题转换为第四优化问题，所述第四优化问题为：[006引 其中，变量 Γ 和 Σ满足条件 Su= Γ/θ，5ν=Σ/^θ，θ>〇. 最优解计算单元，用于使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量η进行 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法，其特征在于，包括：发射端将发送信号叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述发送信号和所述人工噪声；发射端发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为：tr(Su+Sv)≤P其中，为发送信号的协方差矩阵、为人工噪声的协方差矩阵；P为所述发送端的最大发射功率；能量接收端接收无线能量，能量接收端接收到的无线能量为：其中，Q为能量接收端接收到的无线能量；g为能量信道矩阵；根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述发送信号的协方差矩阵、信息信道矩阵和窃听信道矩阵，假定发射端知晓信息信道、能量信道和窃听信道的完美信道状态，计算信息接收端获取的安全容量为：其中，R为安全容量，hs为信息信道矩阵，he为窃听信道矩阵；根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量门限约束的条件下，最大化获得的安全速率。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄建理，郭晓斌，许爱东，董旭柱，陈华军，陈富汉，陈立明，杨航，吴争荣，袁小凯，张乾坤，黄文琦，
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电网技术研究中心，
类型：发明
国别省市：广东;44
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