CN108337023B - 基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，本发明提出的安全通信方法的主要思路为，在第一阶段(S1)首先设计保密用户的波束成形参数，尽量降低偷听端的SINR中的有用信号S的能量。而在第二阶段(S2),合理利用系统的多用户干扰，利用系统本身的多用户干扰进一步降低偷听端的干扰信号I的分量。通过上述两个阶段，最大化地降低偷听端的信干噪比SINR。此外，本方法和人工噪声方法的不同点还在于，本方法提出利用系统本身的自有的多用户干扰，通过增强偷听端干扰分量，来提升系统的安全性。多用户干扰信号除了作为对偷听的干扰外，还携带了非保密用户的传输信息。对于人工噪声方法，人工噪声信号往往消耗了相当部分的能量，而仅仅作为对偷听系统的干扰信号。

Description

基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信 方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法。

背景技术

WLAN和蜂窝网络是近20年间最为流行和成功的商用的无线通信网络，而随着VR，车联网，云应用等技术的不断发展，对作为管道支撑的无线通信技术也提出了更高的标准和要求。其中，多天线技术MIMO因其空间分集，波束成形等空间复用的技术特性，可以在现行频带划分下有效地提高通信有效性和可靠性。除了通信效率外，MIMO特有的波束成形也有助于提高通信系统本身的安全性。基于MIMO多天线的无线物理层安全(PHY Security)通信技术研究方兴未艾。物理层安全的基本原理在于，不同接收端的无线信道特性具有随机性，因此，合法接收端和非法偷听端的信道特性往往具有不同的随机分布特性，因此，基于接收端信道和偷听端信道可以差异化的设计出合适的波束成形。在保证多个合法用户既可以按照给定的通信服务质量QoS标准下正常通信的前提的同时，最大程度的降低偷听端的接收指定用户信号的信号强度。

为了度量多用户无线通信系统的通信质量，我们采用最为广泛采用的信干噪比SINR来衡量发送信号在对应的接收端的信号优劣，其中，S表示在指定端的接收/测量的有用信号功率，I表示接收/测量到的干扰信号功率，N表示和带宽和收发机有关的噪声的功率，综上，SINR实际上表示了有用信号S和无用信号，即干扰I和噪声N的比值。在该衡量标准下，基于MIMO的研究主要致力于，保密通信的主要研究方向在于通过波束成形技术，通过波束成形等空间复用技术，最大化的差异化合法通信接收端和非法偷听端的SINR，尽可能的提升保密通信容量。

现有的MIMO安全通信研究主要集中在多入单出通信系统(MISO)，具体的方法主要有如下几种：

Khisti等提出了一种基于GSVD分解的MIMO波束成形设计方法(参见文献：KhistiA,Wornell G W.Secure transmission with multiple antennas I:The MISOME wiretapchannel[J].IEEE Transactions on Information Theory,2010,56(7):3088-3104.)。在信道未知的情况下，Liao等提出了一种基于人工噪声传输的方法(参见文献：Liao W C,Chang T H,Ma W K,et al.QoS-based transmit beamforming in the presence ofeavesdroppers:An optimized artificial-noise-aided approach[J].IEEETransactions on Signal Processing,2011,59(3):1202-1216.)，此外，Khandaker等提出了基于有益干扰的MIMO波束成形设计方法(参见文献：Khandaker M R A,Masouros C,WongK K.Constructive interference based secure precoding[C]//Information Theory(ISIT),2017IEEE International Symposium on.IEEE,2017:2875-2879.)。上述方法虽然，针对多天线系统提出了多种保密波束成形的设计方法，但是主要针对多入单出的系统，现有技术中在通信过程中发送端和接收端均配备多天线的情况均没有涉及到。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，该方法利用系统自有的多用户干扰来协助提升保密用户的安全性，具体方案是：设多用户多天线通信系统中包含一个发送端，K个的合法用户和一个偷听用户，合法用户包含一个保密用户和K-1个非保密用户；具体的安全通信方法包括以下步骤：

S1：设计保密用户的发送波束成形、发送能量和保密接收端的接收波束成形，具体步骤如下：

将发送端的波束成形设置为t₁，其中，t₁为合法用户信道和偷听用户信道的联合矩阵

的对应特征值最大的特征向量，对应的发送功率设置为

保密用户接收端的接收滤波设置为w₁＝c₁H₁t₁；

S2：利用迭代算法优化非保密用户的发送波束成形[t₂,t₃,...,t_K]、发送能量[E₂,E₃,...,E_K]和保密接收端的接收波束成形[w₂,w₃,...,w_K]，具体步骤如下：

S2_01:采用上行下行信道对偶性原则利用迭代初始化算法对剩余K-1个非保密用户接收端的接收滤波[w₂,w₃,...,w_K]进行初始化；

S2_02：确定保密用户接收端的零空间

S2_03：通过求解波束成形与能量联合待定方程来对X进行求解，其中，

x_i作为波束成形t_i和能量E_i的联合向量，且位于保密用户接收空间的零空间，X_i＝x_i ^Hx_i为发送端波束成形和能量的联合矩阵，求解发送端波束成形和能量的联合矩阵的待定方程为：

[X₂,X₃,...,X_K]＝argminμ

Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K.

首先松弛掉上述方程中的Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K的限制条件，此时，通过凸优化方法对上述联合待定方程求解；

S2_04:为了从X_i中恢复x_i进行如下的判断：

如果得到的X满足秩等于1的限制，那么，可分解得到：X_i＝x_ix_i ^H，那么，此时发送波束成形设置为：t_i＝x_i/||x_i||，对应的发送功率为：E_i＝||x_i||；如果得到的X不满足秩等于1的限制条件，那么通过得到的X_i按照高斯分布生成一组备选波束成形，在从备选组中选出最佳的波束成形并确定此时的发送能量；此时得到发送端的发送波束成形[t₂,…,t_K]及对应的发送能量[E₂,…,E_K]；

S2_05:根据得到的发送端发送波形，按照最大信干噪比准则，重新更新此用户的接收波束成形[w₂,…,w_K]；

S2_06：根据上面S2_05得到的最新的接收波束成形参数，重新迭代执行上述S2_02-S2_05的过程，直到连续两次的发送波束成形和功率参数变化值小于给定的迭代精度∈；

S2_07:将最后一次得到的接收波束成形[w₂,…,w_K]、发送波束成形[t₂,…,t_K]和对应的发送能量[E₂,…,E_K]作为接收端和发送端的配置参数。

所述迭代初始化算法具体步骤为：

S1:随机初始化发送端的发送波形，均匀分配发送端的最大发送功率，按照最大信干噪比准则，确定此时接收端的最佳接收波形；

S2:按照最小功率发送准则重新进行功率的分配，按照最大信干噪比准则，重新更新发送端的发送波束成形；

S3:按照最小功率发送准则重新进行功率的分配，并按照最大信干噪比准则，重新更新接收端的接收滤波；

S4:重复执行上述步骤S2-S3直到收敛,即连续两次得到的接收波束成形[w₂,…,w_K]变化在给定的精度范围内，将其作为接收波束成形的初始值。

本发明提出的安全通信方法的主要思路为，在第一阶段(S1)首先设计保密用户的波束成形参数，尽量降低偷听端的SINR中的有用信号S的能量。而在第二阶段(S2),合理利用系统的多用户干扰，利用系统本身的多用户干扰进一步降低偷听端的干扰信号I的分量。通过上述两个阶段，最大化地降低偷听端的信干噪比SINR。此外，本方法和人工噪声方法的不同点还在于，本方法提出利用系统本身的自有的多用户干扰，通过增强偷听端干扰分量，来提升系统的安全性。多用户干扰信号除了作为对偷听的干扰外，还携带了非保密用户的传输信息。对于人工噪声方法，人工噪声信号往往消耗了相当部分的能量，而仅仅作为对偷听系统的干扰信号。和人工噪声方法相比，本方法在能量利用上更为合理。由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法。本安全通信方法分为两个阶段。在第一阶段设计中，本方法利用无线信道自在的随机性，结合非法偷听端信道和保密用户的信道信息，在保密用户的波束成形和功率分配设计中，最大化地减小对偷听端的信息泄露。在第二阶段设计中，通过迭代波束成形设计思想，设计剩余非保密用户的多用户干扰，设计方案保证多用户干扰在合法接收端置零，在非法接收端尽量大，从而实现减弱偷听的功能。本发明基于干扰利用的思想，带来的有益效果还在于，可以在给定功率限制条件下，利用多用户的自有的干扰实现保密安全，而不是利用剩余能量生成人工噪声。对于能量的使用上更为合理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中基本多天线MIMO系统示意图；

图2是本发明中方法的实施方案框图；

图3是本发明中方法的初始化执行框图；

图4是本发明中SINR对比QoS要求仿真图；

图5是本发明中BER对比QoS要求的仿真图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1展示了本发明适用的一般的多用户MIMO无线通信的场景。如其所示，本系统类似于蜂窝网络的配置，包含K个的接收端(用户)，每个接收端均配备有多根天线。系统同样包含一个发送端(基站)，基站同样配备有多根天线，可以通过波束成形技术，利用空间上的自由度，来优化无线传输的性能。多个接收端中，其中只有第一个接收端和基站传输保密信息，如密钥信息和其他秘密信息，其他用户和基站传输的信息为非保密的一般信息。该假设适用于一般的对安全性进行分级的通信网络，即不同的信息具有不同的安全性要求。在发送端的通信范围内同样还包含一个非法的偷听用户，非法偷听用户同样配备有多根天线。非法偷听端试图接收并恢复保密用户的接收信号。

本系统中所有的用户均配备有多根天线，在任意两个信息传输端点(发送端和接收端)之间，信号经过无线空间进行传输。我们假设用户之间的信道信息已经被收发双方所知到，一般地，该信道信息可以通过多种基于参考信号[1]，部分参考信号的半盲估计[2]或者无参考信号的信道估计[3]算法进行估计。参照附录示图1，我们将这些已知的信道信息标记为H_k和H_e,其中，H_k表示发送基站和第k个合法用户的信道信息，H_e表示发送基站和非法偷听用户之间的窃听信道。

为了更好的利用多天线通信的性质，收发双方需要对天线的发射参数优化，即在发送端进行波束成形，在接收端进行滤波，使得对应的用户数据流的信干噪比(SINR)/服务质量(QoS)大于给定的要求值。在本方法中，我们采用信干噪比SINR来衡量发送信号在对应的接收端的信号优劣，其中，S表示在指定端的接收/测量的有用信号功率，I表示接收/测量到的干扰信号功率，N表示和带宽和收发机有关的噪声的功率，综上，SINR实际上表示了有用信号S和无用信号，即干扰I和噪声N的比值。一般而言，信干噪比越大，表明通信质量越好。

为了增强系统的安全性，本方法首先在第一阶段(S1)对保密用户的发送波束成形和能量进行了优化。即发送方首先利用已知的保密用户信道信息和窃听端的用户的信道信息，设计保密用户的发送波形和发送功率，并确定此时接收端的最佳的接收滤波。设计的基本原则为尽可能减少保密用户信息对偷听端方向上的的信息泄露，即在保证保密用户接收端的SINR在大于给定的通信质量要求γ₁的前提下，尽量减小偷听端的信干噪比。随后，在第二阶段(S2),通过设计剩余K-1个用户的发送波束成形，在满足K-1个用户本身通信质量要求的前提下，使得在偷听端的多用户干扰分量最大化，进而降低偷听端的信干噪比/通信质量。为此，得所设计的多用户发送功率和波束成形需要满足：1)多用户干扰位于保密用户接收端的零空间；2)对应的合法用户接收端满足各自的SINR限制条件SINR_k≥γ_k，3)在非法偷听端，多用户干扰尽量向合法用户的干扰靠齐，保证最大化的恶化非法偷听端的对保密信息的接收；4)所用用户的发送功率和满足总的发送功率限制条件。总体而言，上述增强通信系统保密性的方法，主要基于空间波束成形和干扰管理的思想。为了实现上述增强通信系统保密性的方案，请参考附录图2的具体安全通信实现方案流程框图。如图2所示的基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，具体步骤为：

S1：首先设计保密用户的发送波束成形和发送能量。该设计步骤的主要目标可以归纳为如下的目标方程：

(E₁,t₁)＝argminSINR_e

s.t.SINR₁≥γ₁

E₁≤E_max

具体地，为了实现上述目标，我们将对保密用户发送端的波束成形取为t₁，其中，t₁为联合矩阵

的对应特征值最大的特征向量，对应的发送功率设置为

在此情况下，保密用户接收端的接收滤波设置为w₁＝c₁H₁t₁；

S2：利用迭代算法优化非保密用户的发送波束成形[t₂,t₃,...,t_K]、发送能量[E₂,E₃,...,E_K]和保密接收端的接收波束成形[w₂,w₃,...,w_K]，具体步骤如下：

S2_01:首先，利用上行下行信道对偶性原则，利用迭代初始化算法来初始化剩余K-1个用户接收端的接收滤波[w₂,w₃,...,w_K]。具体迭代初始化算法请参见下面的详细说明。

S2_02:为了保证多用户干扰位于保密用户接收端的零空间，首先，确定保密用户接收端的零空间，

通过确定保密用户接收端的零空间，只要随后的发送波束成形满足以V所表示的矩阵为基来生成，可以保证之后设计的多用户干扰信号在保密用户的零空间中，即不对保密用户产生干扰。

S2_03:第二阶段的主要设计目标为：实现基于干扰管理的物理层安全增强方案。即上面提到的四条设计目标。上述目标可以采用如下的目标方程表示：

(E₂,...,E_K,t₂,...,t_K)＝argminSINR_e

s.t.SINR_k≥γ_k

为了实现该设计目标，在S2_03中，我们首先定义，

x_i作为波束成形t_i和能量E_i的联合向量，且位于保密用户接收空间的零空间，X_i＝x_i ^Hx_i为发送端波束成形和能量的联合矩阵。并在S2_03中，首先下面的待定方程求解来确定发送端波束成形和能量的联合矩阵X_i。

[X₂,X₃,...,X_K]＝argminμ

Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K.

通过松弛掉Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K的限制条件，该目标方程可以直接利用现有的凸优化方法进行求解，并得到此时最佳的[X₂,X₃,…,X_K]。上述目标方程求解，实现了在给定非保密用户接收滤波的情况下，将最优发送波束成形和能量转换为对发送端波束成形和能量的联合矩阵X_i求解的问题。

S2_04:为了有效地将非保密用户的发送端的波束成形向量[t₂,t₃,…,t_K]和发送功率[E₂,E₃,…,E_K]，从上面得到的联合矩阵[X₂,X₃,…,X_K]中恢复出来。本发明采用如下的步骤：

S2_04a:如果得到的X_k满足矩阵的秩等于1的限制，那么，可以对X_k进行分解。假设X_k＝x_kx_k ^H。那么,此时发送波束成形可以取为：t_k＝x_k/||x_k||，对应的发送功率为：E_k＝||x_k||。

S2_04b:如果得到的X不满足秩的限制条件，那么首先通过得到的X,按照高斯分布生成一组备选波束成形，在从备选组中选出最佳的波束成形，并确定此时的发送能量。具体地，如果X_k不满足矩阵的秩等于1的限制条件，则将X作为协方差矩阵，生成长度为L的高斯分布样本

作为发送波束成形的备选组,从备选组中选出最佳的波束成形。筛选的条件为：1)满足发送总能量的限制条件；2)满足合法用户接收端的SINR的限制条件；3)在备选组中使得偷听端的SINR达到最小。

按照上述的筛选准则，利用筛选出的最佳的

来生成发送波束成形并确定发送功率，其中，

S2_05:在确定发送波束成形[t₁,t₂,...,t_K]后，接收端均采用最大信干噪比滤波对接收的信号进行接收端多用户叠加信号进行处理，来保证通信质量达到最佳。最大信干噪比滤波可以保证对应的接收端的SINR达到最佳，具体地，第k个用户的接收滤波可以表示为：

根据得到的发送端发送波形，按照最大信干噪比准则，重新更新此用户的接收波束成形[w₂,w₃,...,w_K]；

S2_06：重复执行上述步骤S2_02-S2_05，直到观察到收敛；该迭代步骤收敛的判定原则为，连续两次的判定出的偷听端的SINR不再变化或者变换范围在给定的精度范围内。

S2_07:将最后一次得到的接收波束成形[w₂,…,w_K]、发送波束成形[t₂,…,t_K]和对应的发送能量[E₂,…,E_K]作为接收端和发送端的配置参数。

上述方法的具体执行步骤，可以总结为为附录图2实施方案框图；

注意到在S2_01中，包含对迭代步骤S2_02-S2_05开始前对接收端的迭代初始化过程，详细的接收端接收滤波配置过程可以归纳为下面的具体步骤：

上述上初始化迭代的算法可以归纳为下面的具体步骤：

S1:首先在V的零空间中，随机初始化发送端的发送波形[z₂,z₃,...,z_K]，并均匀分配发送端的最大发送功率[E₂,E₃,...,E_K]其中，E₂＝E₃,...,E_K＝(E_max-E₁)/(K-1)；按照最大信干噪比准则，并依次确定此时接收端的最佳接收波形；

S2:按照最小功率发送准则，重新计算此时的功率分配系数，按照最大信干噪比准则，重新更新发送端的发送波束成形；

S3:按照最小功率发送准则，重新进行功率的分配，并计算此时的功率分配的系数，并按照最大信干噪比准则，重新更新接收端的接收滤波；

S4:重复执行上述步骤S2-S3，直到收敛。

上述迭代初始化方法的具体执行步骤，可以总结为为附录图3实施方案框图；

上述技术方案可以实现提升保密用户安全性的目的。为了证明上述技术方案的可行性，现给出在附录表1所给出的系统参数配置下的通信系统仿真结果。如附录图4所示，和合法保密用户相比较，本发明所提出的方案中S1步骤提出的保密波形设计和功率分配方案可以有效地降低偷听端的SINR大约13dB。而通过S2采用迭代多用户波束成形设计方法，利用多用户干扰可以进一步降低偷听端SINR大约2dB。如附录图5所示，在对应的误码率(BER)仿真图中，本发明所采用的方案同样可以有效地降低偷听端的误码率，防止偷听端对保密用户信息的接收。

表1仿真实验参数设置

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，其特征在于：设多用户多天线通信系统中包含一个发送端，K个合法用户和一个偷听用户，合法用户包含一个保密用户和K-1个非保密用户；具体的安全通信方法包括以下步骤：

S1：设计保密用户的发送波束成形、发送能量和保密接收端的接收波束成形，具体步骤如下：

将发送端的波束成形设置为t₁，其中，t₁为合法用户信道和偷听用户信道的联合矩阵

的对应特征值最大的特征向量，对应的发送功率设置为

保密用户接收端的接收滤波设置为w₁＝c₁H₁t₁；

S2：利用迭代算法优化非保密用户的发送波束成形[t₂,t₃,...,t_K]、发送能量[E₂,E₃,...,E_K]和保密接收端的接收波束成形[w₂,w₃,...,w_K]，具体步骤如下：

S2_01:采用上行下行信道对偶性原则利用迭代初始化算法对剩余K-1个非保密用户接收端的接收滤波[w₂,w₃,...,w_K]进行初始化；

S2_02：确定保密用户接收端的零空间

S2_03：通过求解波束成形与能量联合待定方程来对X进行求解，其中，

x_i作为波束成形t_i和能量E_i的联合向量，且位于保密用户接收空间的零空间，X_i＝x_i ^Hx_i为发送端波束成形和能量的联合矩阵，求解发送端波束成形和能量的联合矩阵的优化方程为：

[X₂,X₃,...,X_K]＝argminμ

X_k≥0,

Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K.

首先松弛掉上述方程中的Rank(X_k)＝1,k＝2,...,K的限制条件，此时，通过凸优化方法对上述联合待定方程求解；

S2_04:为了从X_i中恢复x_i进行如下的判断：

a)如果得到的X_i满足秩等于1的限制，那么，可分解得到：X_i＝x_ix_i ^H，那么，此时发送波束成形设置为：t_i＝x_i/||x_i||，对应的发送功率为：E_i＝||x_i||；b)如果得到的X_i不满足秩等于1的限制条件，那么通过得到的X_i按照高斯分布生成一组备选波束成形，在从备选组中选出最佳的波束成形并确定此时的发送能量，此时得到发送端的发送波束成形[t₂,…,t_K]及对应的发送能量[E₂,…,E_K]；

S2_05:根据得到的发送端发送波形，按照最大信干噪比准则，重新更新此用户的接收波束成形[w₂,…,w_K]；

S2_06：根据上面S2_05得到的最新的接收波束成形参数，重新迭代执行上述S2_02-S2_05的过程，直到连续两次的发送波束成形和功率参数变化值小于给定的迭代精度∈；

S2_07:将最后一次得到的接收波束成形[w₂,…,w_K]、发送波束成形[t₂,…,t_K]和对应的发送能量[E₂,…,E_K]作为接收端和发送端的配置参数；

其中，E_max表示发送天线的总能量，H₁表示发送端和保密用户之间的信道，

表示发送端和保密用户之间的噪声，H_e表示发送端和偷听用户之间的信道，

表示发送端和保密用户之间的噪声，H_k代表发送端和第k个非保密用户之间的信道，

代表发送端和第k个非保密用户之间的噪声，γ₁代表发送端和保密用户之间接收信噪比要求，γ_k表示发送端和第k个非保密用户之间的接收信噪比要求，c₁代表保密用户和接收用户之间的滤波器的归一化系数，μ代表发送端和偷听端的SINR的上界。

2.根据权利要求1所述的一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，其特征还在于,所述迭代初始化算法具体步骤为：

SP1:随机初始化发送端的发送波形，均匀分配发送端的最大发送功率，按照最大信干噪比准则，确定此时接收端的最佳接收波形；

SP2:按照最小功率发送准则重新进行功率的分配，按照最大信干噪比准则，重新更新发送端的发送波束成形；

SP3:按照最小功率发送准则重新进行功率的分配，并按照最大信干噪比准则，重新更新接收端的接收滤波；

SP4:重复执行上述步骤SP2-SP3直到收敛,即连续两次得到的接收波束成形[w₂,…,w_K]变化在给定的精度范围内，将其作为接收波束成形的初始值。

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