CN108566640A - 基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术 - Google Patents

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杨梦霞
鲍菲菲
桂林卿
束锋
周小波
余海
陆锦辉
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Abstract

本发明采用一种基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，该技术假设基站对窃听者的方向角估计存在有界误差，主要包括：推算出最坏情形下系统总安全速率；推算窃听者的信道估计误差是范数有界的，获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界；将原目标问题转化成基站总发送功率一定下实现目标函数下界值最大化的问题。使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸问题转化成凸问题，并使用凸优化工具箱求解该凸问题。本发明提出的物理层安全技术考虑了角度误差对系统性能的影响，提高了系统信号传输的安全性和可靠性。

Description

基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术
技术领域
本发明涉及无线通信、方向调制技术领域。
背景技术
随着移动互联网应用的迅速发展，无线通信技术在日常生活中扮演着越来越重要的角色。但是由于无线通信的广播特性，通信信息很容易被未经授权的接收机拦截或窃听。基于高层加密技术的传统方法依赖于加密密钥，并同时降低了信息传输的安全速率，难以保障传输的安全性。为了获得更好的传输安全性能，人们开始对位于协议层最底层的物理层进行广泛研究。对物理层安全问题的研究起源于Wyner提出的窃听信道模型以及对保密速率这一概念的定义，后来的学者通过对波束成形技术、人工噪声以及中继节点的设计与功率的分配来优化系统的保密速率。
近年来，随着调制技术的高速发展，方向调制(DM)作为一种有效的物理层传输技术，将人工噪声与波束成形技术相结合，进一步提高通信系统的安全性，受到了学者们的广泛关注。目前实现DM技术的方法主要有两类，一类是通过射频端元器件的组合来实现，另一类是对基带信号算法的设计来实现。Daly等人提出一种基于相控阵的DM技术，但该方法只考虑期望方向上的调制信号，而没有考虑非期望方向上信号的畸变程度。Hong等人提出一种基于多目标函数遗传算法的DM技术，使发送信号星座图在期望方向上与基带信号相同，而在其他方向上产生严重畸变。Ding等人考虑在多波束的DM系统中，将与期望方向正交的人工噪声信号添加到发送信号中，使得窃听者无法追踪发送给目标用户的信号。
但是以上所提出的技术都是假设基站已知完美的方向角信息，而在实际的无线通信场景下，方向角信息需要通过空间谱估计算法获得，这种估计将会产生一定的误差，从而会恶化期望方向上信号接收性能。特别是对于被动且沉默的窃听者，基站通常是很难获得准确的地理位置信息。基于此，本发明考虑基站对窃听者的方向角估计是存在有界误差的，并由该误差推出窃听者的信道估计误差是范数有界的，从而构造目标优化问题，实现信号的安全传输。
发明内容
为了解决基站对窃听者的方向角估计不精确而影响通信系统安全性能的问题，本发明提出一种基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，以提高通信的安全性和可靠性。在实际应用中，假设窃听者的信号处理能力较强，能够破译出基站发送给所有目标用户的信号，同时基站对目标用户的方向角估计是完美的，而对窃听者的方向角估计是存在误差的，且该误差是有界的。
本发明所提出的一种基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，包括：S1、根据系统模型获得目标用户和窃听者的SINR，推算出最坏情形下系统总安全速率；S2：根据有界的窃听者方向角估计误差推算出窃听者的信道估计误差是范数有界的，并获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界；S3：将原目标问题转化成基站总发送功率一定下实现目标函数下界值最大化的问题；S4：使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸问题转化成凸问题；S5：使用CVX求解该凸问题。
进一步地，所述步骤S1可以包括：根据系统模型获得目标用户和窃听者的SINR。为了实现基站发出的有用信号能够安全的传输给每个目标用户，在计算每个目标用户可实现的安全速率时，都是用该目标用户自身的安全速率减去所有窃听者中最大的安全速率，那么系统总安全速率就是所有目标用户可实现的安全速率的总和，以此推算出最坏情形下系统总安全速率。
进一步地，所述步骤S2可以包括：对于窃听者信道状态信息(CSI)的每个元素，将其表示成实部信息与虚部信息之和的形式。使用三角函数展开法以及二阶泰勒级数展开法去近似实部信息与虚部信息中的每一项，把窃听者的CSI表示成基站对窃听者的信道估计以及信道估计误差之和的形式。舍去信道估计误差部分关于方向角误差的高次项，获得信道估计误差的近似表达式，推算出该信道估计误差关于方向角误差是单调有界的，从而推算出信道估计误差是范数有界的。然后使用Cauchy-Schwarz不等式定理获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界。
进一步地，所述步骤S4可以包括：使用半正定松弛法，用指数变量分别替代目标函数中的分子与分母部分，并使用该分子与分母部分的表达式分别去约束对应的指数变量，作为目标问题的约束条件。使用基于泰勒展开的一阶近似法去近似的线性表示目标问题中的非凸约束条件，实现将原非凸问题转化成凸问题。
与现有技术相比，本发明采用基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，考虑了基站对窃听者的方向角估计是存在误差的，并从该误差的上下界推出信道估计误差是范数有界的，从另一个角度构造目标优化问题。本发明有效得提高通信安全。
附图说明
图1基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术的原理图。
图2推算窃听者的信道估计误差是范数有界的原理图。
具体实施方式
本发明所述的基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，包含以下几个步骤：
1.根据系统模型获得目标用户和窃听者的SINR，推算出最坏情形下系统总安全速率。假设窃听者能够破译出基站发送给所有目标用户的信号，因此为了实现基站发出的有用信号能够安全的传输给每个目标用户，在计算每个目标用户处可实现的安全速率时，都是用该目标用户自身的安全速率减去所有窃听者中最大的安全速率，那么系统总安全速率就是所有目标用户可实现的安全速率的总和。其中系统总安全速率可以表示为：
其中，M和K分别表示目标用户和窃听者的数量；和分别表示第i个目标用户以及第k个窃听者的SINR。
2.根据有界的窃听者方向角估计误差推算出窃听者的信道估计误差是范数有界的。对于窃听者CSI的每个元素，首先将其表示成实部信息与虚部信息之和的形式。然后，使用三角函数展开法以及二阶泰勒级数展开法去近似实部信息与虚部信息中的每一项，最终把窃听者的CSI表示成基站对窃听者的信道估计以及信道估计误差之和的形式。接着，舍去信道估计误差部分关于方向角误差的高次项，获得信道估计误差的近似表达式，推算出该信道估计误差关于方向角误差是单调有界的，从而推算出信道估计误差是范数有界的。其中窃听者的CSI可以表示为：
其中，是基站对第k个窃听者的方向角估计；是方向角估计误差；是基站对第k个窃听者的信道估计；是信道估计误差。
3.使用Cauchy-Schwarz不等式定理获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界，将原目标问题转化成基站总发送功率一定下实现目标函数下界值最大化的问题。
4.由于当前目标问题不是一个凸问题，处理起来十分困难。因此使用半正定松弛法，用指数变量分别替代目标函数中的分子与分母部分，并用该分子与分母部分的表达式分别去约束对应的指数变量，作为目标问题的约束条件。然后使用基于泰勒展开的一阶近似法去近似的线性表示目标问题中的非凸约束条件，最终将原非凸问题转化成凸问题。
5.最后使用CVX求解该凸问题。

Claims (4)

1.基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，其特征在于包含以下步骤：
S1：根据系统模型获得目标用户和窃听者的信干噪比(SINR)，推算出最坏情形下系统总安全速率；
S2：根据有界的窃听者方向角估计误差推算出窃听者的信道估计误差是范数有界的，获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界；
S3：将原目标问题转化成基站总发送功率一定下实现目标函数下界值最大化的问题；
S4：使用半正定松弛法和基于泰勒展开的一阶近似法，将原非凸问题转化成凸问题；
S5：使用凸优化工具箱(CVX)求解该凸问题。
2.如权利要求1所述的基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，所述步骤S1进一步包括：为了实现基站发出的有用信号能够安全的传输给每个目标用户，在计算每个目标用户可实现的安全速率时，都是用该目标用户自身的安全速率减去所有窃听者中最大的安全速率，那么系统总安全速率就是所有目标用户可实现的安全速率之和，以此推算出最坏情形下系统总安全速率。
3.如权利要求1所述的基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，所述步骤S2进一步包括：对于窃听者信道状态信息(CSI)的每个元素，首先表示成实部信息与虚部信息之和的形式。然后，使用三角函数展开法以及二阶泰勒级数展开法去近似实部信息与虚部信息中的每一项，把窃听者的CSI表示成基站对窃听者的信道估计以及信道估计误差之和的形式。接着，舍去信道估计误差部分关于方向角误差的高次项，获得信道估计误差关于方向角误差的近似表达式，推算出该信道估计误差关于方向角误差是单调有界的，从而最终推算出信道估计误差是范数有界的。然后使用Cauchy-Schwarz不等式定理获得窃听者接收信号功率和人工噪声功率的上下边界。
4.如权利要求1所述的基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术，所述步骤S4进一步包括：首先，使用半正定松弛法，用指数变量分别替代目标函数中的分子与分母部分，并使用该分子与分母部分的表达式分别去约束对应的指数变量，作为目标问题的约束条件。然后使用基于泰勒展开的一阶近似法去近似的线性表示目标问题中的非凸约束条件，最终将原非凸问题转化成凸问题。
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