一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法技术方案

一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与方法，包括描述模块、建立模块、预编码模块、基站选择模块、数据采集模块；描述模块用于对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；建立模块用于建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；预编码模块用于求解每个基站的预编码问题；基站选择模块用于根据用户位置选择合适的基站。本方法有效改善了传统短波通信中用户速率低、覆盖范围广造成安全性差的问题。造成安全性差的问题。造成安全性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法


[0001]本专利技术涉及防窃听通信
，具体涉及一种基于多站协同的天波大规模MIMO安 全通信系统与通信方法。

技术介绍

[0002]无线信道的开放性使得通信内容可能被窃听者窃听，这可能会对通信安全造成风险。 随着无线通信领域的快速发展，用户对通信业务的安全性提出了更高的要求。因此，以 实现信息安全传输为目的的物理层安全技术得到了广泛的研究。
[0003]大部分现有的工作基于无源窃听方案和有源窃听方案。对付无源窃听方案大多利用 人工噪声，这能使得合法用户可以识别并过滤掉噪声而窃听者无法识别噪声，大大降低 了窃听者用户的信干噪比。有源窃听场景中，窃听者通过向基站发送和合法用户同样的 导频的方式，使得基站将波束对准窃听者而不是合法用户，从而窃听者能获得好的信号 接收质量。同时，采用多点协同通信(CoMP)和多输入多输出(MIMO)等技术可以为通 信系统提供安全传输。多点协同被应用在异构网络安全覆盖、无人机安全通信、多波束 卫星通信等领域。
[0004]以上的工作没考虑到同时采用多点协同通信的合作特性和MIMO技术中信道在角度域 的稀疏特性的进一步结合，往往都是分开进行的，这表明还存在别的提升通信系统的安 全性的方面。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统 与通信方法，能够同时有效地利用MIMO和CoMP的优点来解决反窃听问题，提出了一种 在角域内的协同波束形成方法，并进一步利用MIMO系统中容量的空间分布特性来提升安 全性。具体如下：
[0006]一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的关系进行 描述；
[0008]步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；
[0009]步骤3：求解每个基站的预编码问题；
[0010]步骤4：根据用户位置选择合适的基站；
[0011]步骤5：进行所选基站的功率优化。
[0012]优选的是，本专利技术步骤1中的对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用 和它们之间的的关系进行描述，该描述的内容包括：
[0013]建立一个由一个信源、一个核心网、M个基站、一个用户组成的通信系统；信源将 原始信息发给核心网；核心网将原始消息分成M份子消息通过光缆分别发给M个基站； 每个
基站通过天波信道将子信息发送给用户；最后，用户将对应的子信息合并恢复原始 信息；同时，窃听者会通过接收信号的方式窃听通信内容；
[0014]天波信道通过电离层反射传播信息；电离层被划分为D层、E层、F层，其中能反射 信号的是E层和F层；
[0015]D层离地面高度为50～90公里，只在白天存在，晚上会消失，D层的自由电子密度较 低，D层吸收信号能量造成信道衰减但不反射信号；
[0016]E层离地面高度为90～130公里，E层自由电子密度比D层高，能够反射天波信号的 最低层，E层在晚上不会完全消失；
[0017]F层离地面高度为130公里以上，在白天分为F1层和F2层，晚上合并为一层；F层 电离程度最强，大部分天波通信通过F层反射实现；发射信号通常经过单跳或多跳从不 同角度以不同信号强度到达接收机，将天波信道建模为多径信道。
[0018]优选的是，本专利技术步骤2中的建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速 率的分布的数学模型，包括如下内容：
[0019]设x
m
(t)为基站m的发送的模拟基带信号，则接收机ξ收到的模拟基带信号为
[0020][0021]其中t表示时间，τ为积分临时变量，是从基站m到接收机ξ的时变信道冲 激响应，x
m
为基站m的发射信号，dτ表示τ为被积变量，z
ξ
(t)为高斯白噪声；
[0022]采用OFDM体制，分别定义N
c
、N
g
、T
s
为子载波数、循环前缀长度、采样间隔；那 么，T
c
＝N
c
T
s
和T
g
＝N
g
T
s
分别为OFDM符号和循环前缀的持续时间，设定N
v
个子载波用 于传输数据；
[0023]定义h
m,ξ
(t,f)和Δf＝1/T
c
分别为h
m,ξ
(t,τ)的傅里叶变换和子载波间隔；那么，对于 基站m发出的子信息，第个符号上的从基站m到接收机ξ的在第k个子载波上的解调信 号为
[0024][0025]其中为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的信道频率响应， 为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的发射信号分量，为零均 值、方差为n0的复高斯随机变量，且
[0026][0027]为基站m到接收机ξ的在第个符号、第k个子载波上的信道频率响应；
[0028]将短波信道建模为广义平稳非相关散射信道；设f
c
为载波频率；考虑到短波信道时变 性，工作频率需要根据实时电离层状态调整；为各个基站配备均匀线性阵列，设定f
om
为 基站m最高工作频率，则基站m的相邻天线单元的间距为其中表示 最高工作频率对应的波长，c为光速；
[0029]设和分别为离开路径的方位角和仰角，假设接收机ξ到基站m间有P
m,ξ
条 可分离多径，定义τ
m,ξ,p,n
为基站m到接收机ξ的第n根天线的第p条路径的时延，表示为
[0030]τ
m,ξ,p,n
＝τ
m,ξ,p,1
+(n
‑
1)Δτ
m cosθ
azi,m,ξ,p cosθ
ele,m,ξ,p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0031]其中为光穿过基站m相邻两个天线单元的时间，为了使表达式更简洁，设 Ω
m,ξ,p
＝cosθ
azi,m,ξ,p cosθ
ele,m,ξ,p
；
[0032]从接收机ξ到基站m的第n根天线的时变信道冲激响应表示为
[0033][0034]其中为虚数单位，f
m
为基站m的工作频率，α
m,ξ,p
(t)表示复增益随机变量； 由于地球表面和电离层是粗糙的，假设从基站m到接收机ξ的第p路径里有Q
m,ξ,p
条子路 径，这些子路径有同样的传播时延，发送和到达方位角和仰角；α
m,ξ,p
(t)表示为
[0035][0036]其中β
m,ξ,p,q
、φ
m,ξ,p,q
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统，其特征在于包括：描述模块，用于对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；建立模块，用于建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；预编码模块，用于求解每个基站的预编码问题；基站选择模块，用于根据用户位置选择合适的基站；功率优化模块，用于优化基站的发射功率。2.一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；步骤3：求解每个基站的预编码问题；步骤4：根据用户位置选择合适的基站；步骤5：进行所选基站的功率优化。3.根据权利要求2所述的基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信方法，其特征在于，所述步骤1中的对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述，该描述的内容包括：建立一个由一个信源、一个核心网、M个基站、一个用户组成的通信系统；信源将原始信息发给核心网；核心网将原始消息分成M份子消息通过光缆分别发给M个基站；每个基站通过天波信道将子信息发送给用户；最后，用户将对应的子信息合并恢复原始信息；同时，窃听者会通过接收信号的方式窃听通信内容；天波信道通过电离层反射传播信息；电离层被划分为D层、E层、F层，其中能反射信号的是E层和F层；D层离地面高度为50～90公里，只在白天存在，晚上会消失，D层的自由电子密度较低，D层吸收信号能量造成信道衰减但不反射信号；E层离地面高度为90～130公里，E层自由电子密度比D层高，能够反射天波信号的最低层，E层在晚上不会完全消失；F层离地面高度为130公里以上，在白天分为F1层和F2层，晚上合并为一层；F层电离程度最强，大部分天波通信通过F层反射实现；发射信号通常经过单跳或多跳从不同角度以不同信号强度到达接收机，将天波信道建模为多径信道。4.根据权利要求3所述的基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信方法，其特征在于，所述步骤2中的建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型，包括如下内容：设x
m
(t)为基站m的发送的模拟基带信号，则接收机ξ收到的模拟基带信号为其中t表示时间，τ为积分临时变量，是从基站m到接收机ξ的时变信道冲激响应，x
m
为基站m的发射信号，dτ表示τ为被积变量，z
ξ
(t)为高斯白噪声；
采用OFDM体制，分别定义N
c
、N
g
、T
s
为子载波数、循环前缀长度、采样间隔；那么，T
c
＝N
c
T
s
和T
g
＝N
g
T
s
分别为OFDM符号和循环前缀的持续时间，设定N
v
个子载波用于传输数据；定义h
m,ξ
(t,f)和Δf＝1/T
c
分别为h
m,ξ
(t,τ)的傅里叶变换和子载波间隔；那么，对于基站m发出的子信息，第个符号上的从基站m到接收机ξ的在第k个子载波上的解调信号为其中为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的信道频率响应，为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的发射信号分量，为零均值、方差为n0的复高斯随机变量，且为基站m到接收机ξ的在第个符号、第k个子载波上的信道频率响应；将短波信道建模为广义平稳非相关散射信道；设f
c
为载波频率；考虑到短波信道时变性，工作频率需要根据实时电离层状态调整；为各个基站配备均匀线性阵列，设定f
om
为基站m最高工作频率，则基站m的相邻天线单元的间距为其中表示最高工作频率对应的波长，c为光速；设和分别为离开路径的方位角和仰角，假设接收机ξ到基站m间有P
m,ξ
条可分离多径，定义τ
m,ξ,p,n
为基站m到接收机ξ的第n根天线的第p条路径的时延，表示为τ
m,ξ,p,n
＝τ
m,ξ,p,1
+(n
‑
1)Δτ
m
cosθ
azi,m,ξ,p
cosθ
ele,m,ξ,p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中为光穿过基站m相邻两个天线单元的时间，为了使表达式更简洁，设从接收机ξ到基站m的第n根天线的时变信道冲激响应表示为其中为虚数单位，f
m
为基站m的工作频率，α
m,ξ,p
(t)表示复增益随机变量；由于地球表面和电离层是粗糙的，假设从基站m到接收机ξ的第p路径里有Q
m,ξ,p
条子路径，这些子路径有同样的传播时延，发送和到达方位角和仰角；α
m,ξ,p
(t)表示为其中β
m,ξ,p,q
、φ
m,ξ,p,q
和υ
m,ξ,p,q
分别为增益、初始相位和第q条路径的多普勒频移；假设φ
m,ξ,p,q
服从[0,2π)上的均匀分布；当Q
m,ξ,p
→
∞，α
m,ξ,p
(t)的幅度服从瑞利分布；根据公式(3)和公式(5)，得到其中
表示方向余弦Ω
m,ξ,p
在第k个子载波上对应的方向余弦；定义路径增益这里，将每个可分离路径的方向余弦Ω
m,ξ,p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国如，李岩，王海超，徐以涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：