MIMO全双工保密通信参数优化方法、优化装置及通信方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种MIMO全双工保密通信参数优化方法、优化装置及基于优化参数设定的通信方法，参数优化方法通过构建Alice端和Bob端的发射信号，从中添加人工噪声，并按照决策变量对有效信号和人工噪声进行功率分配和维度分配，同时基于对信道的奇异值分解构建有效信号和人工噪声的具体表达形式，以所构建的发射信号进行MIMO全双工通信，获取各端的接收信号并以系统平均保密速率最大化为目标获得最佳的功率分配系数、功率分配矩阵和信号维度，基于该优化参数进行通信，可以从物理层提高MIMO全双工通信系统的保密性能。全双工通信系统的保密性能。全双工通信系统的保密性能。

【技术实现步骤摘要】
MIMO全双工保密通信参数优化方法、优化装置及通信方法


[0001]本专利技术属于无线通信系统物理层安全
，更具体地，涉及一种MIMO全双工保密通信参数优化方法、优化装置及通信方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着移动互联网的发展，无线网络在教育、科研、金融、交通等领域的应用越来越多，并逐渐成为日常工作、学习和生活的重要组成部分。5G技术的全面普及进一步扩大了无线网络的应用范围，由于无线通信系统的广播特性，它面临着比传统有线通信系统更为复杂的安全问题。
[0003]物理层安全技术是实现无线通信系统信息安全传输的关键技术，它对物理层这一通信中的最底层模型进行探究，是一种不同于上层密钥加密技术的保密方法。它以信息论为理论基础，结合无线信道的时变性、随机性和互异性等物理特性，利用合法信道和窃听信道之间的差异来保证信息传输的安全。
[0004]在MIMO全双工通信系统中，通信双端的每一根天线均能同时同频收发信号，极大提升系统的通信容量。在保密通信策略上，已有部分文献对全双工接收端场景进行探究，接收端在接收信号的同时也发射人工噪声，但并未考虑双向通信场景。也有部分公开文献考虑双向通信场景，但其全双工场景为收发天线分离模式下的，并未使用目前最先进的MIMO完全全双工模式。因此，针对MIMO全双工通信系统，目前缺失这一场景下的物理层安全技术保密通信方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种MIMO全双工保密通信参数优化方法及通信方法，其目的在于从物理层提高MIMO全双工通信的保密性能。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种MIMO全双工保密通信参数优化方法，包括：
[0007]分别确定Alice端、Bob端、Eve端的天线数目N
A
、N
B
、N
E
，以及Alice端和Bob端的发射功率P
A
、P
B
，其中，Alice端、Bob端为合法通信端，Eve端为窃听端；
[0008]分别构建Alice端和Bob端的发射信号，其中，Alice端的发射信号包括有效信号s
A
和人工噪声z
A
，有效信号s
A
的总功率为φ
A
P
A
、维度为r
b
、功率分配矩阵为Σ
A
；人工噪声z
A
的总功率为(1
‑
φ
A
)P
A
、维度为N
A
‑
r
b
且各维度的功率相同；Bob端的发射信号包括有效信号s
B
和人工噪声z
B
，其中，有效信号s
B
的总功率为φ
B
P
B
、维度为r
a
、功率分配矩阵为Σ
B
；人工噪声z
B
的总功率为(1
‑
φ
B
)P
B
、维度为N
B
‑
r
a
且各维度的功率相同，φ
A
和φ
B
分别为Alice端和Bob端的功率分配系数；
[0009]分别将Alice端至Bob端的信道H
AB
和Bob端至Alice端的信道H
BA
做奇异值分解，其中，为正交酉矩阵，以V
A
的前r
b
列作为有效信号s
A
的预编
码矩阵W
A
、其余N
A
‑
r
b
列作为人工噪声z
A
的预编码矩阵Z
A
，其中，为正交酉矩阵，以V
B
的前r
a
列作为有效信号s
B
的预编码矩阵W
B
、其余N
B
‑
r
a
列作为人工噪声z
B
的预编码矩阵Z
B
；
[0010]分别构建有效信号s
A
、s
B
以及人工噪声z
A
、z
B
，其中，s
A
＝W
A
u
A
，z
A
＝Z
A
m
A
，s
B
＝W
B
u
B
，z
B
＝Z
B
m
B
，u
A
、m
A
为Alice端的有效信息符号向量和人工噪声符号向量，u
B
、m
B
为Bob端的有效信息符号向量和人工噪声符号向量；
[0011]Alice端和Bob端同时发射信号，分别获取Alice端、Bob端、Eve端所接收到的信号；
[0012]构建系统平均保密速率，以系统平均保密速率最大化为目标，计算最优的功率分配系数φ
A
和φ
B
、功率分配矩阵Σ
A
和Σ
B
以及维度r
b
和r
a
。
[0013]在其中一个实施例中，采用掩射波束赋形方法对每个发射信号的有效信号和人工噪声进行处理以使接收端接收到原始的发射信息。
[0014]在其中一个实施例中，信道中每一个元素满足均值为0，方差为1的循环复高斯分布。
[0015]在其中一个实施例中，Alice端和Bob端接收到信号后，对原始接收信号进行处理，去除信号中的人工噪声干扰。
[0016]在其中一个实施例中，Alice端、Bob端、Eve端所接收到的信号分别为y
A
、y
B
和y
E
，其中，
[0017]y
A
＝H
BA
W
B
u
B
+H
BA
Z
B
m
B
+η
A
+n
A
；
[0018]y
B
＝H
AB
W
A
u
A
+H
AB
Z
A
m
A
+η
B
+n
B
；
[0019]y
E
＝G
AE
W
A
u
A
+G
AE
Z
A
m
A
+G
BE
W
B
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MIMO全双工保密通信参数优化方法，其特征在于，包括：分别确定Alice端、Bob端、Eve端的天线数目N
A
、N
B
、N
E
，以及Alice端和Bob端的发射功率P
A
、P
B
，其中，Alice端、Bob端为合法通信端，Eve端为窃听端；分别构建Alice端和Bob端的发射信号，其中，Alice端的发射信号包括有效信号s
A
和人工噪声z
A
，有效信号s
A
的总功率为φ
A
P
A
、维度为r
b
、功率分配矩阵为Σ
A
；人工噪声z
A
的总功率为(1
‑
φ
A
)P
A
、维度为N
A
‑
r
b
且各维度的功率相同；Bob端的发射信号包括有效信号s
B
和人工噪声z
B
，其中，有效信号s
B
的总功率为φ
B
P
B
、维度为r
a
、功率分配矩阵为Σ
B
；人工噪声z
B
的总功率为(1
‑
φ
B
)P
B
、维度为N
B
‑
r
a
且各维度的功率相同，φ
A
和φ
B
分别为Alice端和Bob端的功率分配系数；分别将Alice端至Bob端的信道H
AB
和Bob端至Alice端的信道H
BA
做奇异值分解，其中，为正交酉矩阵，以V
A
的前r
b
列作为有效信号s
A
的预编码矩阵W
A
、其余N
A
‑
r
b
列作为人工噪声z
A
的预编码矩阵Z
A
，其中，为正交酉矩阵，以V
B
的前r
a
列作为有效信号s
B
的预编码矩阵W
B
、其余N
B
‑
r
a
列作为人工噪声z
B
的预编码矩阵Z
B
；分别构建有效信号s
A
、s
B
以及人工噪声z
A
、z
B
，其中，s
A
＝W
A
u
A
，z
A
＝Z
A
m
A
，s
B
＝W
B
u
B
，z
B
＝Z
B
m
B
，u
A
、m
A
为Alice端的有效信息符号向量和人工噪声符号向量，u
B
、m
B
为Bob端的有效信息符号向量和人工噪声符号向量；Alice端和Bob端同时发射信号，分别获取Alice端、Bob端、Eve端所接收到的信号；构建系统平均保密速率，以系统平均保密速率最大化为目标，计算最优的功率分配系数φ
A
和φ
B
、功率分配矩阵Σ
A
和Σ
B
以及维度r
b
和r
a
。2.如权利要求1所述的MIMO全双工保密通信参数优化方法，其特征在于，采用掩射波束赋形方法对每个发射信号的有效信号和人工噪声进行处理以使接收端接收到原始的发射信息。3.如权利要求1所述的MIMO全双工保密通信参数优化方法，其特征在于，信道中每一个元素满足均值为0，方差为1的循环复高斯分布。4.如权利要求1所述的MIMO全双工保密通信参数优化方法，其特征在于，Alice端和Bob端接收到信号后，对原始接收信号进行处理，去除信号中的人工噪声干扰。5.如权利要求4所述的MIMO全双工保密通信参数优化方法，其特征在于，Alice端、Bob端、Eve端所接收到的信号分别为y
A
、y
B
和y
E
，其中，y
A
＝H
BA
W
B
u
B
+H
BA
Z
B
m
B
+η
A
+n
A
；y
B
＝H
AB
W
A
u
A
+H
AB
Z
A
m
A
+η
B
+n
B
；y
E
＝G
AE
W
A
u
A
+G
AE
Z
A
m
A
+G
BE
W
B
u
B
+G
BE
Z
B
m
B
+n
E
；其中，G
AE
、G
BE
分别为Alice端到Eve端的信道以及Bob端到Eve端的信道；η
A
和η
B
分别代表Alice端和Bob端由于自干扰所产生的干扰项，n
A
、n
B
分别为传输信道H
BA
、H
AB
的加性高斯白噪声，n
E
为传输信道G
AE
、G
BE
的总加性高斯白噪声；对原始接收信号进行处理，包括；将Alice端所接收到的信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭薇，张路，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：