窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术制造技术

本发明专利技术采用一种窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，该技术假设窃听者离自身感兴趣的目标用户的距离更近并且自身信号处理能力有限，只能选择性的破译出最邻近目标用户的机密信息。同时假设基站对窃听者的方向角估计存在误差，该角度误差服从Von Mises分布。主要包括：推算出最坏情形下系统安全速率；推算窃听信道的协方差矩阵，获得目标优化问题；使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸目标问题转化成凸问题，并使用凸优化工具箱求解该凸问题。本发明专利技术提出的物理层安全技术考虑了窃听者有限的信号处理能力以及更加精准的角度分布情况，提高了系统的安全性能。

Physical layer security technology based on directional modulation under the condition of selective eavesdropping of eavesdropper

The invention adopts a physical layer security technology based on directional modulation under the condition of selective eavesdropper eavesdropping. The technology assumes that the eavesdropper is closer to the target user of interest and has limited signal processing ability, and can only selectively decipher the confidential information of the nearest target user. At the same time, it is assumed that the base station has an error in estimating the direction angle of the eavesdropper, which obeys the Von Mises distribution. It mainly includes: calculating the system security rate in the worst case; calculating the covariance matrix of eavesdropping channel to obtain the objective optimization problem; using the semi-positive definite relaxation method and the first-order approximation method based on Taylor expansion to transform the original non-convex objective problem into a convex problem, and using the convex optimization toolbox to solve the convex problem. The physical layer security technology of the invention considers the limited signal processing ability of the eavesdropper and the more accurate angle distribution, thereby improving the security performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术
本专利技术涉及无线通信、方向调制

技术介绍
随着经济社会的不断进步，现代通信技术也随之发展，并在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。与有线通信相比，无线通信由于与生俱来的广播特性，面临着非常严重的安全问题。近年来，安全的物理层无线传输已成为无线网络中极为重要的研究领域。其中，方向调制(DM)技术成为物理层安全的重要技术之一。DM技术能够在指定的期望方向上发送有用信号，并同时使其他方向上有用信号的星座图产生畸变，从而使窃听者无法恢复出有用信号。Babakhani等人提出一种依赖于光栅反射器和开关的DM合成方法，Daly等人将该方法用于远场环境下。随着对高速射频开关和移相器需求的增大，Ding等人提出一种新型的数字基带合成方法，通过设计激励信号和人工噪声(AN)来实现DM基带合成。但这些方法只适用于单方向的DM系统。随后，Ding等人提出多波束DM的发送方案，为多用户多输入多输出(MIMO)系统提供安全的通信。但是，以上方案都假设基站已知完美的方向角信息且窃听者又具有强大的信号处理能力，而在实际场景下，窃听者的信号处理能力是有限的，并且方向角信息需要通过空间谱估计算法获得而会产生一定的误差，从而恶化期望方向上信号接收性能。Hu和Shu等人假设方向角误差分别服从均匀分布和高斯分布，针对单用户和多用户系统，设计出稳健的DM方法。但是均匀分布和高斯分布并不能完全的表示方向角信息，因此本专利技术使用一种更准确的方向角分布函数，来更精确的表示方向角信息，从而提高系统的安全性。
技术实现思路
在实际应用场景中，窃听者距离基站较远，但往往更靠近它想窃听的某一个目标用户。在这种情况下，窃听者虽然能够接收到基站发送给所有目标用户的信号，但是由于自身信号处理能力有限，只能选择性地破译出最邻近目标用户的机密信息。假设基站对目标用户的方向角估计是完美的，而对窃听者的方向角估计是存在误差的，并且该角度误差服从VonMises分布。本专利技术提出一种窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，包括：S1、根据系统模型获得目标用户以及窃听该目标用户的窃听者的信干噪比(SINR)，推算出最坏情形下系统总安全速率；S2、根据窃听者的方向角误差服从VonMises分布，推算出窃听信道的协方差矩阵；S3、将该协方差矩阵代入求解系统总安全速率的问题中，获得目标优化问题；S4、使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸目标问题转化成凸问题；S5、使用凸优化工具箱(CVX)求解该凸问题。进一步地，所述步骤S1可以包括：根据系统模型获得目标用户处以及窃听该目标用户的窃听者处的SINR。对于每一个目标用户，都只有邻近的几个窃听者能够破译出该目标用户接收到的机密信号。因此为了实现信号的安全传输，每一个目标用户处可实现的安全速率是用该目标用户自身的安全速率减去窃听该目标用户的所有窃听者处最大的安全速率，那么系统总安全速率就是所有目标用户处可实现的安全速率的总和，以此推算出最坏情形下系统总安全速率。进一步地，所述步骤S2可以包括：对于每个协方差矩阵元素的表达式，使用二阶泰勒级数展开法表示式中关于角度误差的三角函数项，并将每个元素的表达式表示成实部与虚部之和的形式。接着用VonMises分布函数替换式中的概率密度函数，并联合使用三角函数展开法以及二阶泰勒级数展开法和现有的积分公式去近似实部与虚部表达式中的每一项，最终获得每个协方差矩阵元素的表达式，从而构造出窃听信道的协方差矩阵。进一步地，所述步骤S4可以包括：使用半正定松弛法，用指数变量分别替代目标函数中的分子与分母部分，并使用该分子与分母部分的表达式分别去约束对应的指数变量，作为目标问题的约束条件。使用基于泰勒展开的一阶近似法去近似的线性表示目标问题中的非凸约束条件，实现将原非凸问题转化成凸问题。与现有技术相比，本专利技术采用的窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，考虑了窃听者信号处理能力有限以及基站对窃听者的方向角估计存在误差条件下的通信过程，更接近实际的通信情况，有效提高了通信的安全性。附图说明图1窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术的原理图。图2实现目标问题凸优化的原理图。具体实施方式本专利技术所述的窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，包含以下几个步骤：1.根据系统模型获得目标用户处以及窃听该目标用户的窃听者处的SINR，推算出最坏情形下系统总安全速率。该方法假设相比于离基站的距离，窃听者离自身感兴趣的目标用户的距离更近。因此在这种情况下，窃听者虽然能够接收到基站发送给所有目标用户的信号，但是由于自身信号处理能力有限，只能选择性的破译出最邻近目标用户的机密信息。对于每一个目标用户，都只有邻近的几个窃听者能够破译出该目标用户接收到的机密信号。为了实现信号的安全传输，每一个目标用户可实现的安全速率是用该目标用户自身的安全速率减去窃听该目标用户的所有窃听者处最大的安全速率，那么系统总安全速率就是所有目标用户可实现的安全速率的总和。其中系统总安全速率可以表示为：其中，M表示目标用户的数量；Ki∈{K1,...,KM}表示窃听第i个目标用户的窃听者数量；和分别表示第i个目标用户以及窃听该目标用户的第k个窃听用户处的SINR。2.对于每个协方差矩阵元素的表达式，使用二阶泰勒级数展开法表示式中关于角度误差的三角函数项，并将每个元素的表达式表示成实部与虚部之和的形式。然后，用VonMises分布函数替换式中的概率密度函数，并联合使用三角函数展开法以及二阶泰勒级数展开法和现有的积分公式去近似实部与虚部中的每一项，最终获得每个协方差矩阵元素的表达式，从而构造出窃听信道的协方差矩阵。其中，窃听信道的协方差矩阵可以表示为：其中，是基站对第k个窃听者的方向角估计；是角度估计误差；K是窃听者的数量。3.将该协方差矩阵带入求解系统总安全速率的问题中，获得目标优化问题。4.由于目标问题不是一个凸问题，处理起来十分困难。因此使用半正定松弛法，用指数变量分别替代目标函数中的分子与分母部分，并使用该分子与分母部分的表达式分别去约束对应的指数变量，作为目标问题的约束条件。使用基于泰勒展开的一阶近似法去近似的线性表示目标问题中的非凸约束条件，实现将原非凸问题转化成凸问题。5.最后使用CVX求解该凸问题。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，其特征在于包含以下步骤：S1：根据系统模型获得目标用户以及窃听该目标用户的窃听者的信干噪比(SINR)，推算出最坏情形下系统总安全速率；S2：根据窃听者的方向角误差服从Von Mises分布，推算出窃听信道的协方差矩阵；S3：将该协方差矩阵带入求解系统总安全速率的问题中，获得目标优化问题；S4：使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸目标问题转化成凸问题；S5：使用凸优化工具箱(CVX)求解该凸问题。

【技术特征摘要】
1.窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，其特征在于包含以下步骤：S1：根据系统模型获得目标用户以及窃听该目标用户的窃听者的信干噪比(SINR)，推算出最坏情形下系统总安全速率；S2：根据窃听者的方向角误差服从VonMises分布，推算出窃听信道的协方差矩阵；S3：将该协方差矩阵带入求解系统总安全速率的问题中，获得目标优化问题；S4：使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸目标问题转化成凸问题；S5：使用凸优化工具箱(CVX)求解该凸问题。2.如权利要求1所述的窃听者选择性窃听条件下基于方向调制的物理层安全技术，所述步骤S1进一步包括：对于每一个目标用户，都只有邻近的几个窃听者能够破译出该目标用户接收到的机密信号。因此，为了实现信号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨梦霞，鲍菲菲，桂林卿，束锋，周小波，黄新宇，陆锦辉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32