CN106211301A - 一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法，模型充分利用全双工通信系统同时同频的特点，无需人工噪声以及其它干扰节点的协助，进一步提高全双工基站发射效率，并在保证全双工系统信息传输达到目标安全速率的情况下，优化基站发射功率。发明的主要内容包括：构造全双工通信系统的物理层安全模型；根据系统要求的安全速率构造凸优化模型；最后利用SDP理论及S‑Procedure理论将一个不易解的非凸问题转换为一个易解的凸优化问题，从而寻找最优波束赋形向量,优化基站发射功率。该方法能在全双工系统安全传输的情况下，保证基站发射最小的功率且基站全部发射功率用于传输有效信号，从而优化全双工基站的发射功率。

Description

一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法

技术领域

本发明涉及全双工通信系统安全领域，特别涉及一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法。

背景技术

全双工传输技术作为5G通信物理层的关键候选技术之一,目前已被写进IMT-2020技术框架。

影响全双工传输性能的关键因素之一就是同一通信设备发射天线对接收天线造成强自干扰信号，目前大部分的研究都集中在全双工系统的自干扰消除技术上且有了较好的成效，这为全双工技术的应用提供了可行的基础。然而，在这些研究中，很少涉及全双工安全传输机制的讨论。

近年来物理层安全备受人们关注，功率分配、波束成形、预编码和人造噪声等能够提高安全速率的传输方案被广泛地研究。图1所示为一个典型的全双工通信系统的示意图。传统方法中人工噪声及外部干扰节点的辅助都将耗费一定的发射功率，但在全双工物理层安全的研究中，若能利用全双工系统同时同频的特点，将同时同频产生的干扰充分利用，就可以无需传统的人工噪声及外部干扰节点的辅助实现安全传输，以此节约发射功率，从而提升全双工通信的安全性。

中国专利CN104467935公开一种全双工基站的数据传输方法及装置，该方法该方法包括：获取全双工安全通信系统的信道信息；根据该信道信息以及预设第一、二、三、四阈值，构建全双工安全通信系统的优化模型；根据该优化模型，获取最优信息波束成形赋值向量和最优干扰波束成形自相关矩阵；根据最优信息波束成形赋值向量和最优干扰波束成形自相关矩阵，进行信息波束成形和干扰波束成形，并基于信息波束成形和干扰波束成形进行数据传输。

这种方法中，获取最优波束成形向量与干扰波束成形向量，实现全双工基站同时的自干扰消除与上、下行的安全速率传输，保证基站以最小的发射功率满足所有用户不同的信噪比要求。但该方法中，全双工物理层安全的研究是通过加入人工噪声来实现全双工系统的安全传输，并没有充分发掘全双工系统同时同频的特点以此来提升和优化全双工系统的通信安全。

发明内容

本发明针对目前全双工物理层安全的研究是通过加入人工噪声来实现全双工系统的安全传输，并没有充分发掘全双工系统同时同频的特点以此来提升和优化全双工系统的通信安全的不足，提供一种全双工通信系统实现物理层安全的方法，该方法中构造无需人工噪声以及其它干扰节点协助下的全双工通信系统的物理层安全模型。

本发明所采用的技术方案如下：

一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法，包括：

步骤1、根据全双工通信系统基站到终端的信道信息基站到窃听端的信道信息终端到窃听端的信道信息按照下式得到全双工系统下行传输安全速率R_s1和上行传输安全速率R_s2；

$R_{s1}=log(1+\frac{|{h_r}^{H}w{|}^2}{{{\∂}_r}^2})-log(1+\frac{|{h_e}^{H}w{|}^2}{p_t\left|\right|g_e|{|}^2+{{\∂}_e}^2})$

$R_{s2}=log(1+\frac{\left|\right|h_t|{|}^2{p}_t}{{{\∂}_t}^2})-log(1+\frac{\left|\right|g_e|{|}^2{p}_t}{|{h_e}^{H}w{|}^2+{{\∂}_{e2}}^2})$

式中：N为基站接收天线数，M为基站发送天线数，N、M为大于或者等于1的正整数；

w为基站发射信号的波束赋形向量；

为基站到接收端的信道噪声功率，为基站到窃听端的信道噪声功率,p_t为发送端的发射功率；

为发送端到基站的信道噪声，为发送端到窃听端的信道噪声；

步骤2、根据上述的下行传输安全速率R_s1和上行传输安全速率R_s2构造全双工系统安全传输的优化模型P；

步骤3、根据全双工系统安全传输的优化模型P寻找最优波束赋形向量。

通过本发明提供的全双工系统安全传输下基站发射功率优化方法，在保证全双工系统信息传输安全的情况下，提高全双工基站发射效率。

本发明与现有技术相比，本发明利用全双工系统本身同时同频产生的干扰，无需添加人工噪声保证了全双工的安全通信，基站发射功率全部用于有用信号，从而提高了基站的发射效率。

附图说明

图1为全双工通信系统的示意图。

图2为本发明中全双工通信模型的示意图。

图3为本发明中信道状态完整与信道状态不完整情况下分别对应不同目标安全速率下基站所需最优的发射功率仿真图。

图4为本发明与传统人工噪声方法的性能比较仿真图。相对于传统人工噪声的方法，本发明能提高全双工通信系统的安全性，其中人工噪声系数表示基站用于发射人工噪声的百分比。

图5为本发明与传统迫零算法的性能比较仿真图。相对于迫零算法，本方法中基站发射功率全部用于传输有效信号，因此本方法中的有效信道容量相对于迫零算法中的有效信道容量更大。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示是本发明采用的全双工通信模型的示意图，该系统中有一个发射天线数为N，接收天线数为M的全双工基站，一个发送端Tx，一个接收端Rx，N为全双工基站发射天线数，M为全双工基站接收天线数，均为大于等于1的整数，假设全双工基站的自干扰完全被消除；

1.首先，构造无需人工噪声以及其它干扰节点协助下全双工通信系统的物理层安全模型,该物理层安全模型以全双工通信自身的发送信号作为噪声干扰其它节点。基站获取全双工系统中基站到接收端的信道信息发送端到窃听端的信道信息基站到窃听端的信道信息为发送端到基站的信道信息为发送端的发射功率p_t。

当窃听端Eve窃听下行通信链路信息时，同时同频的上行传输信号对Eve来说是一个有效的干扰。因此下行传输的安全速率R_s1为：

$R_{s1}=log(1+\frac{|{h_r}^{H}w{|}^2}{{{\∂}_r}^2})-log(1+\frac{|{h_e}^{H}w{|}^2}{p_t\left|\right|g_e|{|}^2+{{\∂}_e}^2})$

为基站到接收端的信道噪声功率，为基站到窃听端的信道噪声功率；w为基站发射信号的波束赋形向量；

当Eve窃听上行通信链路信息时，对应同时同频的下行传输信号对Eve来说是一个有效的干扰。因此上行传输的安全速率R_s2为：

$R_{s2}=\log (1+\frac{\left|\right|h_t|{|}^2{p}_t}{{{\∂}_t}^2})-\log (1+\frac{\left|\right|g_e|{|}^2{p}_t}{|{h_e}^{H}w{|}^2+{{\∂}_{e2}}^2})$

其中为发送端到基站的信道噪声，为发送端到窃听端的信道噪声；p_t为发送端的发射功率。

2.根据系统的安全速率要求构造优化模型；

其中，系统的下行目标安全速率为R_m1，上行目标安全速率为R_m2，预设满足目标安全速率的概率值为ρ(0≤ρ＜1)。

构建的优化模型P1为：

$P1:\underset{w}{\min }\left|\right|w|{|}^2$

s.t.Pr{R_s1≥R_m1}≥1-ρ

Pr{R_s2≥R_m2}≥1-ρ

P表示目标函数，s.t.表示约束条件。这里的凸优化问题的表述就是：在上行传输及下行传输安全的条件下最小化基站发射功率。

从而，模型P1写为P.1：

$P1.1:\underset{w}{\min }\left|\right|w|{|}^2$

$s.t.\mathrm{Pr}\{\log (1+\frac{|{h_r}^{H}w{|}^2}{{{\∂}_r}^2})-\log (1+\frac{|{h_e}^{H}w{|}^2}{p_t\left|\right|g_e|{|}^2+{{\∂}_e}^2})\≥R_{m1}\}\≥1-\mathrm{\ρ}$

$\mathrm{Pr}\{log(1+\frac{\left|\right|h_t|{|}^2{p}_t}{{{\∂}_t}^2})-log(1+\frac{\left|\right|g_e|{|}^2{p}_t}{|{h_e}^{H}w{|}^2+{{\∂}_{e2}}^2})\≥R_{m2}\}\≥1-\mathrm{\ρ}$

通常地，窃听端的信道状态不确定，因此，h_e＝h_e％+e_e1，g_e＝g_e％+e_e2，为基站到窃听端的信道状态的估计值，e_e1～CN(0，C_e1)为基站到窃听端的信道状态的误差，为发送端到窃听端的信道状态的估计值，e_e2为发送端到窃听端的信道状态的误差；其中，e_e1～CN(0，C_e1)，e_e2～CN(0，C_e2)，C_e1、C_e2分别为误差的方差矩阵，表示为C_e1＝ε_e1I、C_e2＝ε_e2I(ε_e1、ε_e2为误差的方差)；

3.利用SDP理论及S-Procedure理论将一个不易解的非凸问题转换为一个易解的凸优化问题，根据优化模型寻找最优波束赋形向量。

这里，S-Procedure理论是本领域常用的一种凸优化理论，见S博伊德和L维得佰格<<凸优化>>英国剑桥:剑桥大学出版社,2004年(S.Boyd and L.Vandenberghe,ConvexOptimization.Cambridge,UK:Cambridge University Press,2004)，具体描述是：

对于F_i∈Sⁿ，g_i∈Rⁿ,h_i∈R,如果有满足那么蕴含关系：

$x^T{F}_{1}x+2{g_1}^{T}x+h_1\&le;0\&DoubleRightArrow;x^T{F}_{2}x+2{g_2}^{T}x+h_2\&le;0$

成立的充要条件是，存在λ满足：

$\mathrm{\&lambda;}\&GreaterEqual;0,\left[\begin{array}{cc}{F}_2& g_2\\ {g_2}^T& h_2\end{array}\right]\&le;\mathrm{\&lambda;}\left[\begin{array}{cc}{F}_1& g_1\\ {g_1}^T& h_1\end{array}\right]$

半定松弛(Semi-definite Relaxation,SDR)理论也是本领域常用的一种很有效的检测算法,它已经在信号处理和通信系统中得到了广泛应用,如在波束成形技术、传感网络节点定位技术以及MIMO检测技术等。

利用半定松弛SDF原理及S-procedure定理，将非凸的不易解的P1.1优化模。

$P2:\underset{Q_S\&GreaterEqual;0}{\min }Tr\left(Q_S\right)$

$s.t.\left[\begin{array}{cc}{A}_r+{\mathrm{\&lambda;}}_{r}I& u_r\\ {u_r}^H& c_r-{\mathrm{\&lambda;}}_r{{\mathrm{\&gamma;}}_r}^2\end{array}\right]\&GreaterEqual;0,{\mathrm{\&lambda;}}_r\&GreaterEqual;0$

$\left[\begin{array}{cc}{A}_t+{\mathrm{\&lambda;}}_{t}I& u_t\\ {u_t}^H& c_t-{\mathrm{\&lambda;}}_t{{\mathrm{\&gamma;}}_t}^2\end{array}\right]\&GreaterEqual;0,{\mathrm{\&lambda;}}_t\&GreaterEqual;0$

其中，Q_S＝Ε{ww^H}，

$c_r=-{{\tilde{h}}_e}^H{Q}_s{\tilde{h}}_e+2^{-R_{m1}}\frac{{h_r}^H{Q}_s{h}_r}{t_1}{t}_2+t_2(2^{-R_{m1}}-1),$

$A_t={C_{e2}}^{\frac{1}{2}}{Q}_s{C_{e2}}^{\frac{1}{2}},u_t={C_{e2}}^{\frac{1}{2}}{Q}_s{\tilde{h}}_e,$

$c_t={{\tilde{h}}_e}^H{Q}_s{\tilde{h}}_e+1-\frac{t_3\&times;t_4}{(1+|\left|h_t\right|{|}^2{P}_t)2^{-R_s}-t_4},$

t₃＝||g_e||²p_t，

解该凸优化模型，求解最优的Q_S。

比较rank(Q_S)与1的大小，若rank(Q_S)＝1，利用特征值分解法获取最优的波束赋形向量w^*；

若rank(Q_S)>1,则用高斯随机技术获取最优解w_*。

w_*为最优的波束成形矩阵，它保证基站以最小的发射功率实现上下行的安全传输，同时无需人工噪声以及其它干扰节点的协助，基站发射功率全部用于发射有效信号，因此基站的发射效率得到提高。

这里，因为我们的目标函数为找最小的||w||²，基站发射功率＝波束赋形向量的范数平方||w||²，这里，相当于最小化基站发射功率，也就是去寻找最优的波束赋形向量。因此求得了w^*也就是找到了最优的发射功率。

本发明实施例的效果可以从图3、图4和图5中反映。

图3中，本发明中信道状态完整与信道状态不完整情况下分别对应不同目标安全速率下基站所需最优的发射功率仿真图。

通常窃听方的信道状态不得知，信道状态矩阵等于一个估计值加误差值，称做信道状态不完整，因此，这里称为“信道状态完整与信道状态不完整”。

图4为本发明实施例与传统人工噪声方法的性能比较仿真图。相对于传统人工噪声的方法，本发明实施例能提高全双工通信系统的安全性，其中人工噪声系数表示基站用于发射人工噪声的百分比。

图5为本发明与传统迫零算法的性能比较仿真图。相对于迫零算法，本实施例中基站发射功率全部用于传输有效信号，因此本实施例中的有效信道容量相对于迫零算法中的有效信道容量更大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法，包括：

步骤1、利用全双工系统本身同时同频产生的干扰，根据全双工通信系统基站到终端的信道信息基站到窃听端的信道信息终端到窃听端的信道信息按照下式得到全双工系统下行传输安全速率R_s1和上行传输安全速率R_s2；

$R_{s1}=log(1+\frac{|{h_r}^{H}w{|}^2}{{{\&part;}_r}^2})-log(1+\frac{|{h_e}^{H}w{|}^2}{p_t\left|\right|g_e|{|}^2+{{\&part;}_e}^2})$

$R_{s2}=log(1+\frac{\left|\right|h_t|{|}^2{p}_t}{{{\&part;}_t}^2})-log(1+\frac{\left|\right|g_e|{|}^2{p}_t}{|{h_e}^{H}w{|}^2+{{\&part;}_{e2}}^2})$

式中：N为基站接收天线数，M为基站发送天线数，N、M为大于或者等于1的正整数；

w为基站发射信号的波束赋形向量；

为基站到接收端的信道噪声功率，为基站到窃听端的信道噪声功率,p_t为发送端的发射功率；

为发送端到基站的信道噪声，为发送端到窃听端的信道噪声；

步骤2、根据上述的下行传输安全速率R_s1和上行传输安全速率R_s2构造全双工系统安全传输的优化模型P；

步骤3、根据全双工系统安全传输的优化模型P寻找最优波束赋形向量。

2.根据权利要求1所述的全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法，其特征在于：所述的全双工系统安全传输的优化模型P为：

$P:\underset{w}{\min }{\left|\right|w\left|\right|}^2$

s.t.Pr{R_s1≥R_m1}≥1-ρ

Pr{R_s2≥R_m2}≥1-ρ

其中：R_m1为全双工系统下行传输预设目标安全速率；

R_m2为全双工系统上行传输预设目标安全速率；

ρ为预设概率值。

3.根据权利要求2所述的全双工通信系统实现物理层安全及功率优化的方法；其特征在于：所述的步骤3中是利用利用SDP理论及S-Procedure理论根据全双工系统安全传输的优化模型P寻找最优波束赋形向量的。