提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统技术方案

本发明专利技术涉及一种提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统，该方法是在仅知道窃听信道的统计信息情况下，为了设计信号与人工噪声的协方差矩阵，同时保证无线传输信息和能量的功能特点，根据安全容量优化有用信息的协方差矩阵和人工噪声的协方差矩阵，使得信息接收机在发送机的发射功率的约束条件和能量接收机接收到的无线能量的约束条件下，最大化获得的安全速率。该提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统，对于合法用户和窃听者都在同一个系统的情形，在仅知道窃听信道的统计信息情况下，设计有用信息与人工噪声的协方差矩阵，通过最大化信息接收机的安全容量，提高通信系统的速率，同时还保证无线传输信息与能量。

【技术实现步骤摘要】
提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统
本专利技术涉及无线通信的物理层安全领域，特别是涉及一种提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统。
技术介绍
无线通信技术的不断变革和创新，深刻地改变着人们生活和工作的方式。然而，与之相伴而来的无线安全通信问题也一直困扰着人们。在传统的通信安全机制中，利用复杂度极高的加密算法来保障通信的安全性。随着计算机运算能力的提高，这种基于高复杂度的加密算法越来越显得不够安全。为此，人们开始从物理层的角度出发，寻求更加安全的信息保障机制。其中，利用人工噪声来干扰窃听者从而实现安全通信是一个热点的研究方向。另外一方面，随着无线移动设备的增多，人们对无线充电的需求越来越大。正如人们要求能随时随地方便地连上无线网路一样，在不远的未来，人们也同样要求随时随地方便地对无线设备进行无线充电，要求甚至更加迫切。为此，人们提出了信息与能量的同时无线传输技术。顾名思义，信息与能量同时无线传输技术就是在传输信息的同时把一部分射频信号作为能量传输，它能够有效地解决无线能量的需求问题。在实际的无线通信网络中，窃听者一般都是隐蔽的，只接收信息，不主动发射信号，发送端可能根本不知道周围开放的环境中存在窃听者，所以很难获得窃听信道的完美信道状态信息。一般来说，信道的不确定性有两种模型可以刻画，即随机模型和最坏情况模型。在随机模型中，信道的不确定性被当作高斯随机变量来处理，以平均性能或者中断性能来衡量系统的性能。而在最坏情况模型中，系统的不确定性虽然不知道，但是却是有界的，系统的优化目标是实现给定的服务质量保证。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统，可以在仅知道窃听信道的统计信息的情况下，提高通信系统的速率，同时保证无线传输信息和能量。一种提高通信系统的安全速率的方法，包括安全速率计算流程和无线通信流程，所述安全速率计算流程包括：发送机将有用信息叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述有用信息和所述人工噪声；其中，携带信息的信号向量为x＝u+v，其中，向量u～CN(0,Su)表示有用信息，向量v～CN(0,Sv)表示人工噪声，且向量u～CN(0,Su)和向量v～CN(0,Sv)相互独立；所述发送机发送所述携带信息，且所述发送机的发射功率的约束条件：tr(Su+Sv)≤P其中，Su＝E[uu+]≥0为所述有用信息的协方差矩阵，Sv＝E[vv+]≥0为所述人工噪声的协方差矩阵，tr(Su+Sv)为矩阵Su和Sv的迹，物理含义是发送机的发射功率，P为所述发送机的最大发射功率；能量接收机接收无线能量，且能量接收机接收到的无线能量的约束条件：g+(Su+Sv)g≥Q其中，Q为能量接收机接收到的无线能量，g为能量信道；假定发送机知晓信息信道和能量信道的完美信道状态，知晓窃听信道的统计信息，信息接收机获得的安全容量为：其中，为安全容量，hs为信息信道，he为窃听信道；根据所述发送机的发射功率的约束条件和所述能量接收机接收到的无线能量的约束条件，将信息接收机获得的安全容量表示为第一优化问题，所述第一优化问题为：所述约束条件为：g+Sug+g+Svg≥Qtr(Su+Sv)≤P根据所述安全容量优化所述有用信息的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，使得信息接收机在所述发送机的发射功率的约束条件和所述能量接收机接收到的无线能量的约束条件下，最大化获得的安全速率；所述无线通信流程包括：所述发送机根据最大化的安全速率形成所述携带信息并发送；所述信息接收机接收所述携带信息；所述能量接收机接收所述携带信息中的无线能量。在其中一个实施例中，所述根据所述安全容量优化所述有用信息的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，所述信息接收机在发射功率的约束条件和能量接收机接收到的无线能量的约束条件下，最大化获得的安全速率的步骤，包括：通过有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ，将第一优化问题转换为第二优化问题，所述第二优化问题为：约束条件为：g+Sug+g+Svg≥Qtr(Su+Sv)≤Pα＝1+he+(Su+Sv)heβ＝1+he+Svheτ＝1+hs+Svhs其中，有用信息和人工噪声的功率和α≥1、人工噪声的功率β≥1、信息接收机的噪声功率τ≥1；通过改变有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ最大化获得的安全速率。在其中一个实施例中，所述通过改变有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ最大化获得的安全速率的步骤，包括：获得有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ的上界，并根据该上界以及泰勒展开式，将所述第二优化问题转换为第三优化问题；其中，所述有用信息和人工噪声的功率和α的上界为：α≤1+P||he||2；所述人工噪声的功率β的上界为：β≤1+P||he||2；所述信息接收机的噪声功率τ的上界为：τ≤1+P||hs||2；所述第三优化问题为：约束条件为：g+Sug+g+Svg≥Q，tr(Su+Sv)≤Pα＝1+he+(Su+Sv)he，β＝1+he+Svhe，τ＝1+hs+SvhsSu≥0，Sv≥0α≥1，β≥1，τ≥1其中，其中α0∈[1,+1P||he||2]，其中其中τ0∈[1,1+P||hs||2]；求解第三优化问题，以最大化获得的安全速率。在其中一个实施例中，所述求解第三优化问题，以最大化获得的安全速率的步骤是通过内点法求解，包括：在区间中随机选取初始点α0和β0，在区间[1,1+P||hs||2]中随机选取初始点τ0；根据第三优化问题，获得第i次迭代的最优解和更新以及i＝i+1以继续进行第i+1次迭代的最优解，直至第三优化问题的目标函数值在两次相邻的迭代后的差值小于一给定值ε时，获取Su、Sv、αo、βo、τo、t1,o和t3,o的最优解。一种提高通信系统的安全速率系统，所述系统包括：信息处理模块，用于将有用信息叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述有用信息和所述人工噪声；其中，携带信息的信号向量为x＝u+v，其中，向量u～CN(0,Su)表示有用信息，向量v～CN(0,Sv)表示人工噪声，且向量u～CN(0,Su)和向量v～CN(0,Sv)相互独立；发送机模块，用于发送所述携带信息且发送机的发射功率的约束条件：tr(Su+Sv)≤P其中，其中，Su＝E[uu+]≥0为所述有用信息的协方差矩阵，Sv＝E[vv+]≥0为所述人工噪声的协方差矩阵，tr(Su+Sv)为矩阵Su和Sv的迹，物理含义是发送机的发射功率，P为所述发送机的最大发射功率；且在获取最大化的安全速率后，根据所述最大化的安全速率形成所述携带信息并发送；能量接收模块，用于接收无线能量，且能量接收机接收到的无线能量的约束条件：g+(Su+Sv)g≥Q其中，Q为能量接收机接收到的无线能量，g为能量信道；安全容量计算模块，用于根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述有用信息的协方差矩阵、信息信道和窃听信道，且假定发送机知晓信息信道和能量信道的完美信道状态，发送机只知晓窃听信道的统计信息时，信息接收机获得的安全容量为：其中，为安全容量，hs为信息信道，he本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高通信系统的安全速率的方法，包括安全速率计算流程和无线通信流程，其特征在于，所述安全速率计算流程包括：发送机将有用信息叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述有用信息和所述人工噪声；其中，携带信息的信号向量为x＝u+v，其中，向量u～CN(0,S

【技术特征摘要】
1.一种提高通信系统的安全速率的方法，包括安全速率计算流程和无线通信流程，其特征在于，所述安全速率计算流程包括：发送机将有用信息叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述有用信息和所述人工噪声；其中，携带信息的信号向量为x＝u+v，其中，向量u～CN(0,Su)表示有用信息，向量v～CN(0,Sv)表示人工噪声，且向量u～CN(0,Su)和向量v～CN(0,Sv)相互独立；所述发送机发送所述携带信息，且所述发送机的发射功率的约束条件：tr(Su+Sv)≤P其中，为所述有用信息的协方差矩阵，为所述人工噪声的协方差矩阵，tr(Su+Sv)为矩阵Su和Sv的迹，物理含义是发送机的发射功率，P为所述发送机的最大发射功率；能量接收机接收无线能量，且能量接收机接收到的无线能量的约束条件：g+(Su+Sv)g≥Q其中，Q为能量接收机接收到的无线能量，g为能量信道；假定发送机知晓信息信道和能量信道的完美信道状态，知晓窃听信道的统计信息，信息接收机获得的安全容量为：其中，为安全容量，hs为信息信道，he为窃听信道；根据所述发送机的发射功率的约束条件和所述能量接收机接收到的无线能量的约束条件，将信息接收机获得的安全容量表示为第一优化问题，所述第一优化问题为：所述约束条件为：根据所述安全容量优化所述有用信息的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，使得信息接收机在所述发送机的发射功率的约束条件和所述能量接收机接收到的无线能量的约束条件下，最大化获得的安全速率；所述无线通信流程包括：所述发送机根据最大化的安全速率形成所述携带信息并发送；所述信息接收机接收所述携带信息；所述能量接收机接收所述携带信息中的无线能量。2.根据权利要求1所述的提高通信系统的安全速率的方法，其特征在于，所述根据所述安全容量优化所述有用信息的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，所述信息接收机在发射功率的约束条件和能量接收机接收到的无线能量的约束条件下，最大化获得的安全速率的步骤，包括：通过有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ，将第一优化问题转换为第二优化问题，所述第二优化问题为：约束条件为：g+Sug+g+Svg≥Qtr(Su+Sv)≤Pα＝1+he+(Su+Sv)heβ＝1+he+Svheτ＝1+hs+Svhs其中，有用信息和人工噪声的功率和α≥1、人工噪声的功率β≥1、信息接收机的噪声功率τ≥1；通过改变有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ最大化获得的安全速率。3.根据权利要求2所述的提高通信系统的安全速率的方法，其特征在于，所述通过改变有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ最大化获得的安全速率的步骤，包括：获得有用信息和人工噪声的功率和α、人工噪声的功率β和信息接收机的噪声功率τ的上界，并根据该上界以及泰勒展开式，将所述第二优化问题转换为第三优化问题；其中，所述有用信息和人工噪声的功率和α的上界为：α≤1+P||he||2；所述人工噪声的功率β的上界为：β≤1+P||he||2；所述信息接收机的噪声功率τ的上界为：τ≤1+P||hs||2；所述第三优化问题为：约束条件为：g+Sug+g+Svg≥Q，tr(Su+Sv)≤Pα＝1+he+(Su+Sv)he，β＝1+he+Svhe，τ＝1+hs+Svhsα≥1，β≥1，τ≥1其中其中α0∈[1,1+P||he||2]，其中其中τ0∈[1,1+P||hs||2]；求解第三优化问题，以最大化获得的安全速率。4.根据权利要求3所述的提高通信系统的安全速率的方法，其特征在于，所述求解第三优化问题，以最大化获得的安全速率的步骤是通过内点法求解，包括：在区间中随机选取初始点α0和β0，在区间[1,1+P||hs||2]中随机选取初始点τ0；根据第三优化问题，获得第i次迭代的最优解和更新以及i＝i+1以继续进行第i+1次迭代的最优解，直至第三优化问题的目标函数值在两次相邻的迭代后的差值小于一给定值ε时，获取Su、Sv、αo、βo、τo、t1,o和t3,o的最优解。5.一种提高通信系统的安全速率系统，其特征在于，所述系统包括：信息处理模块，用于将有用信息叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述有用信息和所述人工噪声；其中，携带信息的信号向量为x＝u+v，其中，向量u～CN(0,Su)表示有用信息，向量v～CN(0,Sv)表示人工噪声，且向量u～CN(0,Su)和向量v～CN(0,Sv)相互独立；发送机模块，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建理，蒋屹新，许爱东，陈华军，董旭柱，陈立明，蒙家晓，丁伟，黄文琦，王志明，戴涛，关泽武，张福铮，
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