安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略制造技术

本发明专利技术在给定私密信息波束成形向量和人工噪声投影矩阵和总功率限制的情况下，提出了安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略。通过拉格朗日乘子法，我们推导出了提出的功率分配策略的解析表达式。为了证实基于最大化安全速率的功率分配策略的益处，我们将零空间投影法作为例子并且推导出其最优功率分配策略的闭合表达式。从仿真结果中我们可以发现，和三种典型的功率分配参数相比，在中高信噪比区域最优功率分配具有明显的安全速率性能增益。当功率分配因子从0增长到1时，可实现安全速率在低信噪比区域相应的增长，而在中高信噪比区域先增长后减少，其中安全速率可以被看作是功率分配因子的一个凸函数。

Power allocation strategy for maximizing security rate in secure direction modulation networks

Given the beamforming vector of private information, the projection matrix of artificial noise and the total power limitation, the invention proposes a power allocation strategy to maximize the security rate in a secure directional modulation network. Through the Lagrange multiplier method, we derive the analytical expression of the proposed power allocation strategy. To verify the benefits of the power allocation strategy based on maximizing the security rate, we take the zero-space projection method as an example and derive the closed-form expression of the optimal power allocation strategy. From the simulation results, we can find that compared with the three typical power allocation parameters, the optimal power allocation in high SNR region has obvious security rate performance gain. When the power allocation factor increases from 0 to 1, the security rate increases correspondingly in the low SNR region, and increases first and then decreases in the middle and high SNR region. The security rate can be regarded as a convex function of the power allocation factor.

【技术实现步骤摘要】
安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略
本专利技术涉及无线通信
，特别涉及安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略。
技术介绍
由于无线传输的广播特性，私密信息的安全性和隐私性在无线网络中变得越来越重要。方向调制作为无线网络中的一种新兴物理层安全技术吸引了来自学术界和工业界极大的研究兴趣。Wyner首先在离散无记忆信道中提出了安全容量的概念，当合法用户的信道比窃听信道的好时，安全通信可以得到保证。此外，人工噪声、符号预编码和协作中继都用来提升无线网络的物理层安全。一些文章也提出了安全方向调制网络中的稳健合成方法，以此来提升期望方向的安全性能同时使非期望方向的星座点扭曲。在一些文献中，发射机同时发射私密信息和人工噪声，并且分析了不同场景下的最优功率分配问题。然而，之前研究的功率分配都不属于方向调制的范畴，本专利技术在给定任意波束成形向量和人工噪声投影矩阵的条件下提出了最优功率分配策略来最大化安全速率。通过拉格朗日乘子法，可以推导出提出的最优功率分配因子的解析表达式，同时将零空间投影法作为例子并推导出其最优功率分配策略的闭合表达式。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略，首先建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式。然后最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果。最后，考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。仿真结果显示，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案包括：建立一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，通过拉格朗日乘子法推导出最优功率分配策略的闭合表达式；最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果；考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。进一步地，具体过程包括：S1.建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题。在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式；S2.最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果；S3.考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式；S4.在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1。总的来说，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。进一步地，建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题。在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式；最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果；考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。进一步地，在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1。总的来说，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。与现有技术相比，通过本专利技术提出的方法能够提升安全速率，同时保证期望接收机位置能够准确恢复出有用信号，而窃听接收机位置接收的信号星座图发生扭曲。首先建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式。然后最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果。最后，考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。仿真结果显示，在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1，也就是所有的功率用于发射私密信息。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1为安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略；图2为仿真结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。给定一个三节点方向调制系统模型，即源节点、目的节点、窃听节点，其中基站采用N阵元均匀线性阵列天线，期望用户和窃听用户均为单天线接收机，系统工作在直达路径中。Alice作为发射机，Bob和Eve作为接收机，Alice通过波束成形向量发射私密信息给Bob，同时利用噪声投影矩阵阻止Eve窃听私密信息。发射机端传输的基带信号向量表示为式中，Ps表示总的发射功率并且是有限的；β和(1-β)分别表示私密信息和人工噪声的功率分配因子。表示期望用户的归一化波束成形向量，即可将有用信号汇聚到期望方向；表示归一化人工噪声投影矩阵，即可将发射的人工噪声功率集中到窃听方向从而干扰非法用户的窃听。x表示有用信号并满足z表示随机变化的人工噪声向量且服从复高斯分布，满足考虑到路径衰减，在期望方向接收到的信号为其中，和分别表示Alice和Bob之间的路径衰减系数和信道矢量，dab是其间的距离，c是路径衰减指数，α是参考点d0处的衰减，nb表示期望接收机噪声，服从分布。同理，窃听方向接收的信号为其中，和分别表示Alice和Eve之间的路径衰减系数和信道矢量。ne表示窃听接收机噪声，服从分布。通常，我们假定根据式(2)和(3)，我们可以分别获得期望方向和非期望方向的可实现速率，即和因此，安全速率可以定义为期望方向和非期望方向的可实现速率之差即Rs＝max{0，R(θb)-R(θe)}(6)1)提出的通用的最大化安全速率的功率分配策略在研究功率分配问题前，我们先考虑最大化安全速率的联合优化问题，该问题可以表示为其中优化变量是功率分配因子β，vb和PAN。由于上式优化问题很难解决，接下来我们通过假设波束成形方法已知聚焦功率分配问题。对任意给定的波束成形方法，很明显的一点是功率分配对提高安全速率是一种有效而重要的方法。因此，在假定vb和PAN已知的前提下，(7)式优化问题可以化简为以下功率分配问题根据(4)和(5)，我们可以得到式(8)中相应的目标函数Rs(β)其中在总发射功率受限的条件下，(9)式中的安全速率也是受限的。这意味着分子a(β)和分母b(β)都不等于0，否则，安全速率的值为无穷大。最大化(9)式中的安全速率相当于考虑到φ(β)≠0，上式可以简化为其中φ(β)＝0意味着安全速率为无穷大。考虑到以上特性，我们可以得到最优功率分配因子的候选点为和其中，由于功率分配因子的非负实数特性Δ＝K2(I-L)2)-K(IM-JL)(J-M)≥0。当a(β)＝0时可以产生两个奇异点当b(β)＝0时产生另外两个奇异点以上四个极点使得安全速率的值趋于无穷大，但在实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略，其特征在于：首先建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式。然后最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果。最后，考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。仿真结果显示，在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1，也就是所有的功率用于发射私密信息。总的来说，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。具体过程包括：S1.建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式；S2.最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果；S3.考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式；S4.在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1。总的来说，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。...

【技术特征摘要】
1.安全方向调制网络中最大化安全速率的功率分配策略，其特征在于：首先建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式。然后最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果。最后，考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式。仿真结果显示，在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最优值并且随着天线数的增加而增加。在低信噪比区域，最优功率分配因子为1，也就是所有的功率用于发射私密信息。总的来说，在中高信噪比区域和发射机端的天线数少时，最优功率分配策略对安全速率性能有重要影响。具体过程包括：S1.建立了一个通用的最大化安全速率的优化问题，在给定任意波束成形方案的条件下，推导出了最优功率分配策略的闭合表达式；S2.最优功率分配参数通过讨论不同的场景可以得到不同的结果；S3.考虑基于零空间投影的最优功率分配策略并且推导出了它的闭合表达式；S4.在中高信噪比区域，提出的最优功率分配策略的安全速率明显比一些典型的功率分配因子的安全速率高。另外，最优功率分配因子在区间(0,1)有一个最...

【专利技术属性】
技术研发人员：万思明，王雨恬，束锋，余海，陆锦辉，徐玲，秦耀璐，陆造宇，徐婷珍，桂林卿，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32