面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法技术

本发明专利技术公开的面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，属于无线通信物理层安全技术领域。针对CRN网络中存在的干扰控制和底层物理层安全问题以及实际场景下理想窃听信道CSI难以获得的现实需求，采用面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码设计方法，包括基于次级用户信道特征的安全预编码、基于主用户信道零空间的安全预编码、分布式发射节点选择、人工噪声辅助的安全预编码方案选择、以及利用迭代外点近似法求解差分凸规划问题，最终实现在控制主用户干扰功率的同时，最大化CRN次级网络的安全速率。本发明专利技术能够用于智能制造、物流、仓储等领域，实现频谱感知网络中安全速率和干扰控制的平衡。和干扰控制的平衡。和干扰控制的平衡。

【技术实现步骤摘要】
面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法


[0001]本专利技术涉及面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，属于无线通信物理层安全


技术介绍

[0002]由于具有频谱利用率高、部署成本低等优点，感知无线电网络(Cognitive Radio Network,CRN)被认为是未来工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)的重要部署形式。它可以实现主要网络用户和次级网络用户的竞争接入和频谱共用，基于此种形式，非授权用户可以在主用户闲时利用授权用户的专享频谱，传输自己的保密信息从而实现网络整体谱效的提升。尤其是在IIoT场景下，例如在工厂的智能制造车间内部，存在大量具备射频感知功能的传感器相互之间进行通信作业，同时，他们与工厂外的数据采集站点之间同样存在宽带数据链路。工厂内由于空间范围有限，物理隔离等手段基本可以实现信息安全，但是针对工厂外围的离散分布的潜在窃听节点就极大的威胁到加密信息的安全上传，尤其是当窃听者处于隐蔽窃听状态时，极大的威胁到安全生产的进行。因此，信息安全和干扰管理就成为了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、初始化该底层CRN系统的初始化天线数量、分布和用户数量、窃听节点数量以及发射功率等系统配置；步骤二、利用次级用户主信道特征，结合人工噪声注入，设计安全预编码方案，并表示系统安全速率优化问题；步骤三、利用主用户PU的信道零空间，结合人工噪声注入方案，设计安全预编码方案，并表示出安全速率优化问题；步骤四：根据步骤二和步骤三中设计的非凸保密速率优化问题，通过一系列的等式替换和近似，将最大化安全速率的问题转化为最小化辅助变量t的差分凸规划问题；步骤五、采用迭代外点近似法求解步骤四中的差分凸规划问题；步骤六、根据设置的分布式MIMO的节点数量和分布，在仅考虑大尺度衰落的情况下，计算系统最差安全容量，同预设安全下限对比，选择至少满足该安全下限的分布式结构；计算主用户PU处的干噪比，同预设值进行比较，选择合适的安全预编码方案，反馈给发送端，周期性迭代此过程，针对主用户的INR变化实时调整发端预编码方案，即实现面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码。2.如权利要求1所述的面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，其特征在于：步骤一的实现方法为，分布式发射天线节点Alice的数量，记为K个；主用户PU天线数量记为N
P
个；次级用户Bob天线数量记为N
B
个；L个窃听用户Eve，每个天线数量记为N
E
个；分布式发射节点的中心记为O，它到主用户的距离记为p0，到次级用户的距离记为b0，到所有窃听节点中的最小距离记为e0；分布式天线的范围半径记为r；分布式发射节点的总功率上限记为Γ
T
；主用户PU可忍受的干扰功率上限记为Γ
I
。3.如权利要求1所述的面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，其特征在于：步骤二的实现方法为，步骤2.1：设计发送信号为保密信息和人工噪声加权相加的形式；即：其中，功率归一化的保密信号s和人工噪声a分别服从均值为0，协方差矩阵为单位阵的复高斯独立同分布(Gaussian Independently Identically Distribution，GIID)；保密信号的功率分配矩阵Ψ
s
和人工噪声的功率分配矩阵Ψ
a
表示为非负对角矩阵，是待优化的变量；对角线上的第k个对角元素表示对应发射信号的第k个符号；保密信号和人工噪声的预编码矩阵分别为V
s
和V
a
，将待发送的混合信号映射到发射天线上；步骤2.2：根据次级用户的主信道特征，设计步骤2.1中的预编码矩阵；对CRN网络中的次级用户主信道矩阵进行SVD分解，取出有奇异矩阵V
H
作为保密信号和人工噪声的预编码矩阵；相比基于信道零空间的人工噪声注入方案中预编码矩阵采用信道正交矩阵的情况，上述预编码方案更具一般性，不会受到收发端天线数目的制约；步骤2.3：根据MIMO信道容量表达式和步骤2.2中设计的预编码矩阵，表示合法次级用户的信息速率、窃听节点的最大信息速率以及系统最差安全速率；即：最差安全速率＝次级
用户Bob的信息速率
‑
多个窃听用户Eve信息速率的最大值，该计算值对应系统最差情况下的安全速率，即安全速率的下限；根据高斯MIMO信道容量表达式，计算在有人工噪声注入情况下，次级用户Bob和窃听节点Eve的有效信息速率，即：即：其中右上角括号中的H表示采用V
H
预编码方案；步骤2.4：设置总体发射功率约束，即人工噪声和保密信息的总功率小于等于预设阈值Γ
T
；步骤2.5：设置针对主用户PU的干扰功率约束，即总功率到达主用户PU接收端的功率小于等于预设阈值Γ
I
；步骤2.6：根据步骤2.2中基于次级用户Bob的主信道特征向量V
H
预编码2.4、步骤2.5，设计在系统总发射功率约束和干扰抑制约束下，最大化系统的最差保密速率的优化问题。4.如权利要求1所述的面向频谱感知网络的协作MIMO安全预编码方法，其特征在于：步骤三的实现方法为，步骤3.1：设计发送信号为保密信息和人工噪声加权相加的形式；其中，功率归一化的保密信号s和人工噪声a分别服从均值为0，协方差矩阵为单位阵的复高斯独立同分布(Gaussian Independently Identically Distribution，GIID)；保密信号的功率分配矩阵Ψ
s
和人工噪声的功率分配矩阵Ψ
a
表示为非负对角矩阵，是待优化的变量；对角线上的第k个对角元素表示对应发射信号的第k个符号；保密信号和人工噪声的预编码矩阵分别为V
s
和V
a
，将待发送的混合信号映射到发射天线上；步骤3.2：根据主用户PU的信道正交零空间设计步骤3.1中的预编码矩阵；取主用户PU信道矩阵的正交矩阵V
G
，作为人工噪声和保密信号的预编码矩阵，即GV
G
＝0；这里需要满足Alice的发射天线数目大于主用户PU的接收天线数目；步骤3.3：根据MIMO信道容量表达式和步骤3.2中设计的预编码矩阵，表示合法次级用户的信息速率、窃听节点的最大信息速率以及系统最差安全速率；即：最差安全速率＝次级用户Bob的信息速率
‑
多个窃听用户Eve信息速率的最大值，该计算值对应系统最差情况下的安全速率，即安全速率的下限；根据高斯MIMO信道容量表达式，计算在有人工噪声注入情况下，次级用户Bob和窃听节点Eve的有...

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