基于物理层安全的混合通信性能优化方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物理层安全的混合通信性能优化方法、系统及介质，从物理层上保证通信安全，方法为：建立混合通信网络信号传输模型；以网络安全容量为优化目标，以人工噪声向量和波束成形向量为变量，在SDP、窃听者CSI未知的限制构建优化问题；根据窃听者的协作方式，计算窃听者信噪比将优化问题等效变换为SDP优化问题；将SDP优化问题进行变形，通过半定松弛技术得到近似凸优化问题；采取块坐标下降法将近似凸优化问题转化为三个凸优化子问题然后进行迭代求解，得到最优波束成形和人工噪声。本方法同时采用波束成形和人工噪声技术，提高混合通信网络信息传输的安全速率，有效提高混合通信中的安全性。效提高混合通信中的安全性。效提高混合通信中的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于物理层安全的混合通信性能优化方法、系统及介质


[0001]本专利技术属于电力线混合通信的
，具体涉及一种基于物理层安全的混合通信性能优化方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]由于电力线的广泛分布，与其余通信方式相比，电力线通信无需布置大量基础设备，能节约大量的时间与成本，已经被应用于室内(住宅、建筑)、室外(中低压)电网数据通信，交通运输系统(汽车，飞机)等场景中。但由于电力线信道的衰减特性、多径特性等物理特性，数据在电力线中传输时会严重衰减，且衰减程度随着通信距离和频率的增加而增加。由于无线线信道的广播特性，任何与无线网络相连的设备都能获取传输的信息，这会严重威胁到通信安全。与单一电力线和无线网络相比，在混合通信网络中，窃听者可以从电力线和无线两个媒介上窃取信息，增大了机密信号泄露的风险；并且在电力线网络中，由于电力线分布广、线路巡检不便，窃听者可通过供电线路接入并直接获取机密信号，使窃取机密电力数据成为可能；同时，由于电力线媒介主要用于电力传输而非信息传输，其链路受噪声干扰影响大，如不对通信信号进行特殊处理难以保证通信质量；此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于物理层安全的混合通信性能优化方法，其特征在于，包括下述步骤：建立混合通信网络信号传输模型；所述传输模型包括发射机T1、中继、合法接收机R2及两个窃听者E1、E2；所述中继包括中继发射端T2和中继接收端R1；在发射机T1和中继发射端T2可用功率一定的限制条件下，以网络安全容量为优化目标，以人工噪声向量和波束成形向量为变量，在SDP、窃听者CSI未知的限制构建优化问题；根据窃听者的协作方式，计算窃听者信噪比将优化问题等效变换为SDP优化问题；将SDP优化问题进行变形，通过半定松弛技术得到近似凸优化问题；采取块坐标下降法将近似凸优化问题转化为三个凸优化子问题然后进行迭代求解，得到最优波束成形和人工噪声。2.根据权利要求1所述的基于物理层安全的混合通信性能优化方法，其特征在于，所述发射机T1传输机密信息时，同时发射波束成形向量q
T1，M
和人工噪声向量来提高网络安全速率；所述中继接收端R1对接收到的机密信息进行解码再编码后，从中继发射端T2发送给合法接收机R2，同时发射波束成形向量q
T2，M
和人工噪声向量来提高网络安全速率；所述发射机T1发射机密信息给中继接收端R1时，被窃听者E1窃听；所述中继发射端T2发射机密信息给合法接收机R2时，被窃听者E2窃听；所述发射机T1在无线信道的传输单数据流为在电力线信道的传输单数据流为所述中继工作于半双工模式；所述电力线信道的噪声由背景噪声和脉冲噪声组成；所述背景噪声为零均值方差为1的复高斯分布白噪声，即1的复高斯分布白噪声，即所述脉冲噪声服从伯努利分布且σ
R
＝1；所述无线信道的噪声为加性高斯白噪声，即所述电力线信道表示为：其中，A为信道修正参数矩阵，R
rx
为接收系数相关性矩阵，R
tx
为发射系数相关性矩阵；h表示为：式中，g
p
∈(0，1)表示发射端到接收端的各个电力线路径的占比权重，表示信道延迟部分，表示信道衰减部分；f表示频率，d
p
表示第p条路径的长度，v表示电磁波在电力线信道中的传播速度，N
P
表示传播路径的数量，a0和a1表示衰减系数；所述无线信道将考虑大尺度衰落和小尺度衰落的SISO
‑
WLC模型扩展为MIMO
‑
WLC信道模型，表示为：其中，ω＝κd
‑
τ
为衰落因子，τ为路径损耗指数因子，κ为单位距离路径损耗因子，d为发
射端到接收端的无线路径长度；h
YX
表示发射端的第Y根天线到接受端的第X根天线之间的信道。3.根据权利要求2所述的基于物理层安全的混合通信性能优化方法，其特征在于，依据窃听信道CSI的未知性和不确定性，对窃听信道H
E，M
进行量化估计：其中，为窃听者E在M信道中的信道估计矩阵，ΔH
E，M
为窃听者E在M信道中的信道估计误差；vec()为矩阵向量运算函数；为窃听信道估计误差；I为单位向量；引入SOP约束条件，给定一个阈值μ
E，M
来限制窃听者的信噪比，并要求窃听者的信噪比超过该阈值的概率小于ρ，公式为：其中，γ
E，M
为窃听者E在M信道的信噪比。4.根据权利要求3所述的基于物理层安全的混合通信性能优化方法，其特征在于，所述优化问题表示为：优化问题表示为：γ
Ri，M
≤μ
R，M
M∈{P，W}，i＝{1，2}所述优化问题的目标函数为：其中，μ
R，M
为主信道的信噪比；μ
E，M
为窃听者E在M信道的信噪比阈值；q
Ti，M
为发射机或中继发射端Ti在M信道中的波束成形向量；为发射机或中继发射端Ti在M信道中的人工噪声向量；γ
Ri，M
为合法接收机或中继接收端Ri在M信道下的信噪比；E
Ti，M
为发射机或中继发射端Ti在M信道上的最大可用功率；所述主信道M包括P电力线信道和W无线信道。5.根据权利要求4所述的基于物理层安全的混合通信性能优化方法，其特征在于，所述窃听者的协作方式包括非勾结窃听模式和勾结窃听模式；所述非勾结窃听模式是指多个窃听者相互独立地处理自己窃取到的信号；所述勾结窃听模式是指多个窃听者隶属于同一组织、使用相同的技术窃听该网络且两者距离较近时，多个窃听者相互协作窃取信号；所述计算窃听者信噪比的公式为：为保证中继能够成功解码，因此主信道的信噪比为中继接收端R1信噪比和合法接收机R2信噪比的最小值，即μ
R，M
≤min(γ
Ri，M
)；
定义将优化问题等效变换为SDP优化问题，表示为：示为：γ
Ri，M
≤μ
R，M
tr(Q
Ti，M
+Ω
Ti，M
)≤E
Ti，M
rank(Q
Ti，M
)＝1，rank(Ω
Ti，M
)＝1M∈{P，W}，i＝{1，2}其中，H
Ei，M
∈S
Ei，M
为SOP约束条件，γ
Ri，M
≤μ
R，M
为中继成功解码约束条件，tr(Q
Ti，M
+Ω<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄力宇，郭斌，蔡妙妆，陈少梁，李慧，刘常，黎艺炜，彭正阳，温鑫，郑茵，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：