一种感知辅助的上行安全通信方法技术

本发明专利技术涉及一种感知辅助的上行安全通信方法，属于雷达通信一体化、物理层安全技术领域。包括1)置迭代次数为0，初始化发射波形协方差矩阵和接收波束赋形向量；2)固定发射波形协方差矩阵，更新接收波束赋形向量；3)通过一维搜索最大化波束主瓣与旁瓣幅值差下界更新发射波形协方差矩阵；4)迭代次数加1；5)判断目标函数是否收敛或达最大迭代次数，若是则跳至6)，否则跳至2)；6)发射雷达发射波形协方差矩阵波形，获取窃听者的角度并跟踪；8)使用连续凸逼近求解信干噪比松弛变量最小化问题；9)发射雷达波束赋形向量波形，并将接收波束赋形向量设置为上一步中的解。所述方法能定位和干扰空中窃听者，提高了上行通信的保密率。提高了上行通信的保密率。提高了上行通信的保密率。

【技术实现步骤摘要】
一种感知辅助的上行安全通信方法


[0001]本专利技术涉及一种感知辅助的上行安全通信方法，属于雷达通信一体化及物理层安全


技术介绍

[0002]由于无线通信的广播性质，合法用户和窃听者都能接收所传输的信号，从而使无线传输容易受到窃听。传统的信息安全主要取决于加密和解密机制，这可能导致高复杂性和资源消耗。在下行链路通信中，可以在基站(BS)处采用多天线技术来同时发送信号和人工噪声，而在上行链路通信中，尤其是对于单天线用户而言可能更容易受到攻击。Y.Zhou等提到可以引入干扰节点来使窃听者接收到的信号恶化，但这要求干扰节点能够获取发射机、接收机、窃听者及其自身之间的信道情况，这通常是不切实际的。全双工技术的发展使得接收者在接收信号的同时能够向窃听者发射干扰信号。F.Jafarian等设计了最优的干扰协方差矩阵，以减轻自干扰并最大程度地提高保密率，同时考虑了固定接收器和最佳接收器。C.Li等考虑了使用中继的协作传输方案，联合优化了发射和接收的波束形成器，以最大程度地提高接收器的信干噪比(SINR)，同时保证窃听者处的SINR低于某个阈值。虽然BS处的全双工技术避免了干扰和用户间的信道状态信息(CSI)的获取，但是BS和空中窃听者(AE)之间的CSI仍然需要估计。为此，M.Temiz等指出，借助于传感，基站能够监控未经授权的空中窃听者，并通过利用视距(LOS)通信链路获取CSI，从而实现干扰过程。然而，现有的考虑了雷达通信一体化和物理层安全的相关工作多是关注于下行链路的情况，基于感知辅助的上行链路安全通信方法仍然是一个待解决的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对传统信息安全领域过度依赖加密和解密机制，造成复杂度较高、资源消耗及在上行链路通信中，尤其单天线用户更容易受到攻击的技术缺陷，提出了一种感知辅助的上行安全通信方法，该安全通信方法在基站接收上行信号时，通过发射雷达信号定位和干扰空中窃听者，联合设计基站雷达波形和基站接收天线的波束赋形向量，有效提高了上行通信的保密速率。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采取如下技术方案。
[0005]所述感知辅助的上行安全通信方法依托于一个感知辅助的通信系统，该通信系统包括一个可发射雷达和通信信号的全双工基站、一个单天线用户以及一个单天线空中窃听者；
[0006]其中，全双工基站简称基站，单天线用户简称用户；
[0007]其中，基站接收到的信号y
b
由式(1)表示：
[0008][0009]其中，g
ub
表示用户到基站间的信道，s表示用户发射的上行信号，G
SI
表示发射天线
和接收天线间的自干扰信道，x表示基站发射的雷达信号波形；a(θ0)表示天线导向矢量；θ0表示空中窃听者的离开角；[
·
]*
表示矩阵[
·
]的共轭；[
·
]H
表示矩阵[
·
]的共轭转置；n
b
表示基站处的噪声；α为受路径损耗和雷达截面积影响的系数，由式(2)表示：
[0010][0011]其中，ρ0为参考距离为1米时的信道功率，d
b,e
表示基站到空中窃听者的距离，ξ表示雷达截面积；
[0012]空中窃听者处接收到的信号y
e
由式(3)表示：
[0013]y
e
＝g
ue
s+g
be
x+n
e
ꢀꢀ
(3)
[0014]其中，g
ue
为用户到空中窃听者之间的信道，g
be
为基站到空中窃听者之间的信道，n
e
表示空中窃听者处的功率为的高斯白噪声；
[0015]所述感知辅助的上行安全通信方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1、设置当前迭代次数k＝0，并初始化基站雷达发射波形协方差矩阵Q
[k]和基站接收波束赋形向量w
r[k]为问题(4)的可行解：
[0017][0018]其中，Q表示雷达发射波形协方差矩阵，w
r
表示基站接收波束赋形向量，Q
[k]和w
r[k]的右上角标为迭代次数，Q
[k]即表示雷达发射波形协方差矩阵的第k次迭代，w
r[k]表示基站接收波束赋形向量的第k次迭代，θ
m
表示基站雷达波束旁瓣范围内的角度，Φ表示基站雷达波束旁瓣的范围；
[0019]问题(4)需满足保密率大于保密率需求下界约束、波束主瓣幅值保持近似恒定约束、Q
[k]的迹不大于发射天线总功率上限P0的约束、Q
[k]不小于0的约束及基站接收波束赋形向量w
r[k]的范数为1的约束；
[0020]步骤2、固定Q
[k]，通过(5)将w
r[k+1]更新为C
‑1g
ub
的归一化值：
[0021][0022]其中，表示自干扰信号与噪声功率之和，表示基站处的噪声功率值，I表示单位阵；
[0023]步骤3、对问题(6)执行以基站接收信干噪比下界γ1为变量的一维搜索，得到最优的γ1并记为γ
1*
且更新基站雷达发射波形协方差矩阵Q并记为Q
[k+1]：
[0024][0025]其中，t为基站雷达波束主瓣视轴方向幅值与旁瓣幅值差值的下界；
[0026]问题(6)需满足基站接收信干噪比不小于基站接收信干噪比下界γ1约束、波束主瓣范围内保密率不低于保密率需求约束、以及基站雷达波束主瓣角度范围内幅值保持近似恒定约束、Q的迹不大于发射天线总功率上限P0的约束、Q不小于0的约束以及基站接收波束赋形向量w
r
的范数为1的约束；
[0027]步骤4、更新k＝k+1；
[0028]步骤5、判断函数(4)是否收敛或达到最大迭代次数，若是，基站则发射与此时的雷
达发射波形协方差矩阵相对应的雷达波形，搜寻空中窃听者，获取空中窃听者的角度信息，跳至步骤6，若否，则跳至步骤2；
[0029]步骤6、基站发射雷达信号至空中窃听者，根据回波信号跟踪空中窃听者；
[0030]步骤7、使用连续凸逼近迭代求解信干噪比松弛变量的最小化问题，并且在每次迭代中，通过(8)将基站接收波束赋形向量w
r
更新为C
‑1g
ub
的归一化值，信干噪比松弛变量的最小化问题具体为：
[0031][0032]其中，z表示信干噪比松弛变量；u1表示信号功率松弛变量，v1表示干扰功率松弛变量；(7)需满足基站发射天线总功率约束、回波信号信噪比不小于预定雷达回波信号信噪比阈值约束、空中窃听者信干噪比不超过预定空中窃听者信干噪比阈值约束以及约束(a)、(b)、(c)；
[0033][0034][0035][0036]其中，表示基站处的噪声功率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种感知辅助的上行安全通信方法，其特征在于：依托于一个感知辅助的通信系统，该通信系统包括一个可发射雷达和通信信号的全双工基站、一个单天线用户以及一个单天线空中窃听者；其中，全双工基站简称基站，单天线用户简称用户；其中，基站接收到的信号y
b
由式(1)表示：其中，g
ub
表示用户到基站间的信道，s表示用户发射的上行信号，G
SI
表示发射天线和接收天线间的自干扰信道，x表示基站发射的雷达信号波形；a(θ0)表示天线导向矢量；θ0表示空中窃听者的离开角；[
·
]
*
表示矩阵[
·
]的共轭；[
·
]
H
表示矩阵[
·
]的共轭转置；n
b
表示基站处的噪声；α为受路径损耗和雷达截面积影响的系数，由式(2)表示：其中，ρ0为参考距离为1米时的信道功率，d
b,e
表示基站到空中窃听者的距离，ξ表示雷达截面积；空中窃听者处接收到的信号y
e
由式(3)表示：y
e
＝g
ue
s+g
be
x+n
e
ꢀꢀ
(3)其中，g
ue
为用户到空中窃听者之间的信道，g
be
为基站到空中窃听者之间的信道，n
e
表示空中窃听者处的功率为的高斯白噪声；所述感知辅助的上行安全通信方法，包括以下步骤：步骤1、设置当前迭代次数k＝0，并初始化基站雷达发射波形协方差矩阵Q
[k]
和基站接收波束赋形向量w
r[k]
为问题(4)的可行解：其中，Q表示雷达发射波形协方差矩阵，w
r
表示基站接收波束赋形向量，Q
[k]
和w
r[k]
的右上角标为迭代次数，Q
[k]
即表示雷达发射波形协方差矩阵的第k次迭代，w
r[k]
表示基站接收波束赋形向量的第k次迭代，θ
m
表示基站雷达波束旁瓣范围内的角度，Φ表示基站雷达波束旁瓣的范围；步骤2、固定Q
[k]
，通过(5)将w
r[k+1]
更...

【专利技术属性】
技术研发人员：费泽松，王维昊，王新奕，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：