一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统及优化方法技术方案

本发明专利技术属于通信技术领域，对单天线环境反向散射通信系统(Ambient backscattercommunications，AmBC)的反射信号隐蔽传输进行了分析，并提出了一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统及优化方法。该方法主要步骤如下：(1)初始化相关参数；(2)根据通信系统需要满足的限制条件，求得优化变量需要满足的初始优化区间；(3)在初始优化区间内，针对优化函数的凹凸特性，运用凹凸过程(convex

【技术实现步骤摘要】
一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统及优化方法


[0001]本专利技术属于通信
，其从安全隐蔽通信角度对单天线AmBC系统的通信隐蔽性进行了分析，并给出了一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统及优化方法。

技术介绍

[0002]环境反向散射通信(Ambient backscatter communications，AmBC)是未来物联网的核心技术之一。利用该技术，物联网设备可从环境射频信号吸收能量来激活电路，然后通过切换天线阻抗改变反射信号的幅度和相位来实现信息传输。它不需要高功耗主动式射频模块，因而能够满足物联网设备低功耗、长续航时间的需求。另一方面，由于不需要专用射频激励和通信载波，AmBC还能与传统主动式通信共享频段，从而提高通信的频谱效率。
[0003]随着电子对抗技术和窃听技术的飞速发展，无线通信安全在现代民用通信和信息化战争中凸显出前所未有的重要性。AmBC技术通过反射环境电磁信号实现信息传输的特性使得其无线信道中天然的存在其他环境电磁信号，因而具有实现常速率隐蔽通信的潜力。
[0004]在理想场景中，即发射方RFS的发射功率恒定不变，且监测方Willie拥有信道完备信息，此时无法实现隐蔽通信。
[0005]而对于反射信道通信容量优化问题，由于优化目标问题是一个非凸问题，因此难以用传统的凸优化解决算法，如牛顿法、梯度下降法等方法对问题加以解决。近来相继有学者提出了类似交替梯度下降法或是撒点法的解决方案，但这些解决方法多应用于工程问题，难以从理论层面给出一个严格的收束。由Yuille和Rangarajan提出的CCCP算法，其收敛性已被严格证明，我们创新性地将该算法应用于解决我们的优化问题，以实现单天线AmBC系统反射信道通信容量的优化。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统，隐蔽通信系统包括：全双工单天线环境射频源RFS，对外发射信号；单天线合法用户User，接受RFS发射的信号，要求满足合法通信的最低信噪比；单天线反射设备Alice，通过反射环境信号向外传递信息；单天线接受设备Bob，来接收反射设备Alice反射的信号，获取Alice传递的信息；以及单天线非法窃听者Willie，用来监测Alice与Bob间是否在传递信息，为系统提供隐蔽性约束；分别用h
RU
、h
RA
、h
RW
、h
RB
、h
AU
、h
AB
、h
AW
表示各设备间的信道增益；全双工单天线环境射频源RFS的发射功率是变化的，为P
min
～P
max
；单天线反射设备Alice处反射系数为Γ∈[0，1]；单天线接收设备Bob处的环境噪声为：n
B
(i)～CN(0,δ
b2
)，其中δ
b2
为接收设备Bob处的噪声功率，CN表示圆对称复高斯分布；全双工单天线环境射频源RFS发射的环境信号和单天线反射设备Alice反射的隐蔽信号满足：c(i)、x(i)～CN(0,1)，c(i)为环境信号，x(i)为反射信号，均满足圆对称复高斯分布；
[0007]单天线反射设备Alice到单天线接收设备Bob的通信容量C
B
为：
[0008][0009][0010]其中K表示当x(i)符号周期为c(i)的K倍；
[0011]约束条件：
[0012](1)反射系数：0≤|Γ|2≤1
[0013](2)给定隐蔽率为ε
P
的条件下，需满足：
[0014][0015][0016](3)User处的遍历信噪比要大于给定的
[0017][0018]本申请还涉及一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统的优化方法，隐蔽通信系统中既定的参数包括：隐蔽通信系统中各对象间的距离；全双工单天线环境射频源RFS的最大发射功率P
max
；天线增益；反射通信系统所要求的隐蔽率ε
P
；合法用户User处满足正常通信的最低信噪比γ
u
；
[0019]系统优化的参数：单天线反射设备Alice的反射系数Γ；全双工单天线环境射频源RFS的最小发射功率P
min
；
[0020]隐蔽通信系统的限制条件包括：反射设备的反射系数Γ在区间[0,1]范围内；满足系统设置的反射通信隐蔽率ε
P
要求；满足合法用户User处要求的最低信噪比ε
P
；
[0021]优化方法的步骤具体包括：
[0022]步骤S1：确定初始可行区间，判断在不同的可行区间内反射系数|Γ|2的表达式；
[0023]步骤S2：将|Γ|2的表达式代入优化目标函数，将目标函数转化为仅关于变量P
min
的函数；在关于P
min
的不同区间内判断目标函数是否为关于优化变量P
min
的单调函数；
[0024]步骤S3：若为单调函数，求出其在可行区间端点处的值并记录下来；
[0025]步骤S4：若不是关于优化变量的单调函数，则通过迭代算法找到给定区间内的局部极大值；
[0026]步骤S5：将步骤3、步骤4中求得的所有值进行比较，取得其中最大的值，作为反射信道通信容量的最优值。
[0027]优选地，所述步骤S1确定初始可行区间的具体步骤为，根据给定的最大发射功率
P
max
、系统要求的隐蔽系数ε
P
和信道增益，比较比较和1的大小，三者的大小关系随P
min
的变化而变化，划分出P
min
的不同区间，在不同区间内将三者的最小者作为|Γ|2的值代入目标函数。
[0028]优选地，所述步骤S2中P
min
的不同区间判断标准为：
[0029]S21：当我们将|Γ|2＝1代入目标函数时为单调函数；
[0030]S22：当我们将或代入目标函数时，我们对于目标函数中部分关于P
min
二次求导，证明其二次导数在(0,+∞)上具有唯一零点，设为M，则目标函数在M左边区间内为非单调函数，在M右边区间内为单调函数。
[0031]优选地，所述步骤S4中的迭代步骤为：
[0032]S41：将|Γ|2由P
min
替换代入后，在可行区间内取得一个初始点，设为p(i)；
[0033]S42：此时目标函数为凹函数+凸函数形式，凹函数部分为凸函数部分为我们将其转化为凹函数
‑
凹函数的形式，即目标函数为
[0034]S43：我们对于求出在p(i)处的斜率，并在中求出满足斜率与其相等的P
min
，其值记为p(i+1)；
[0035]S44：我们将p(i+1)替换S43中的p(i)并重复其过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环境信号反射的隐蔽通信系统，其特征在于，所述隐蔽通信系统包括：全双工单天线环境射频源RFS，对外发射信号；单天线合法用户User，接受RFS发射的信号，要求满足合法通信的最低信噪比；单天线反射设备Alice，通过反射环境信号向外传递信息；单天线接受设备Bob，来接收反射设备Alice反射的信号，获取Alice传递的信息；以及单天线非法窃听者Willie，用来监测Alice与Bob间是否在传递信息，为系统提供隐蔽性约束；分别用h
RU
、h
RA
、h
RW
、h
RB
、h
AU
、h
AB
、h
AW
表示各设备间的信道增益；全双工单天线环境射频源RFS的发射功率是变化的，为P
min
～P
max
；单天线反射设备Alice处反射系数为Γ∈[0，1]；单天线接收设备Bob处的环境噪声为：n
B
(i)～CN(0,δ
b2
)，其中δ
b2
为接收设备Bob处的噪声功率，CN表示圆对称复高斯分布；全双工单天线环境射频源RFS发射的环境信号和单天线反射设备Alice反射的隐蔽信号满足：c(i)、x(i)～CN(0,1)，c(i)为环境信号，x(i)为反射信号，均满足圆对称复高斯分布；单天线反射设备Alice到单天线接收设备Bob的通信容量C
B
为：为：其中K表示当x(i)符号周期为c(i)的K倍；约束条件：(1)反射系数：0≤|Γ|2≤1(2)给定隐蔽率为ε
P
的条件下，需满足：需满足：(3)User处的遍历信噪比要大于给定的(3)User处的遍历信噪比要大于给定的2.根据权利要求1所述的基于环境信号反射的隐蔽通信系统的优化方法，其特征在于，隐蔽通信系统中既定的参数包括：隐蔽通信系统中各对象间的距离；全双工单天线环境射频源RFS的最大发射功率P
max
；天线增益；反射通信系统所要求的隐蔽率ε
P
；合法用户User处满足正常通信的最低信噪比γ
u
；系统优化的参数：单天线反射设备Alice的反射系数Γ；全双工单天线环境射频源RFS的最小发射功率P
min
；隐蔽通信系统的限制条件包括：反射设备的反射系数Γ在区间[0,1]范围内；满足系统
设置的反射通信隐蔽率ε

【专利技术属性】
技术研发人员：范恺，萧洒，王健全，郭伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：