CN108964716A - 一种电力线通信系统的物理层通信方法及设备 - Google Patents

一种电力线通信系统的物理层通信方法及设备 Download PDF

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金鑫
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Abstract

本发明公开了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据信道矩阵确定功率分配矩阵；根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。编码矩阵随信道矩阵不断变化，窃取者无从下手，提高了电力线通信系统的安全性。本发明还公开了一种电力线通信系统的物理层通信设备，具有如上物理层通信方法相同的有益效果。

Description

一种电力线通信系统的物理层通信方法及设备
技术领域
本发明涉及电力线通信领域，特别是涉及一种电力线通信系统的物理层通信方法，本发明还涉及一种电力线通信系统的物理层通信设备。
背景技术
在电力输送基础设施上进行通信被称为电力线通信。电力线通信利用现有电力线进行高速数据传输，可极大节省成本和时间。由于电力线通信系统本质上是一个广播通信系统，其中的信息流被共享于用户间的通信网中，这意味着发射机发射的信号能够被所有的接收机获得。换句话说，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听，存在隐私泄露的风险，甚至会导致大规模电力故障。基于这种情形，如何确保信息的安全可靠传输就变得尤其重要。
传统的电力线通信一般可采用两种主要方式进行实现：第一种是在ISO(文件传输访问和管理协议)/OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联)系统上层编码实现；第二种是利用物理信道信息在物理层上实现。两种通信方式都采用固定的加密算法对信号进行加密，很容易被破解，信息容易被窃取，电力线通信系统的安全性较差。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力线通信系统的物理层通信方法，提高了电力线通信系统的安全性；本发明的另一目的是提供一种电力线通信系统的物理层通信设备，提高了电力线通信系统的安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括：
每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；
根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵；
根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；
根据所述发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；
根据所述功率分配矩阵对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。
优选地，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值；
计算所述接收信号估计值的均方差；
根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵。
优选地，所述接收信号估计值为：
其中，为所述接收信号估计值，Hb为所述信道矩阵，Rb为所述合法接收端的接收解码矩阵，nb为所述合法接收端的零均值复高斯噪声，T为发射预编码矩阵，Γ为人工噪声编码矩阵，s为有用信号，z为人工噪声矢量；
则所述计算所述接收信号估计值的均方差具体为：
其中，MSEb(T,Γ,Rb)为所述接收信号估计值的均方差，E{eeH}为eeH的期望值，I为单位矩阵，σn 2为与所述信道矩阵对应的电力线传输通道上零均值复高斯噪声矢量的方差，H为共轭转置。
优选地，所述根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵具体为：
以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以所述均方差最小化为目标函数建立第一函数模型：
s.t.Tr(TTH)+Tr(ΓΓH)≤Pa
其中，Pa为预先设定的发射功率值，Tr(·)表示求矩阵的迹；
将所述第一函数模型简化得到第二函数模型：
s.t.1Tp≤P0,p≥0
其中，p为所述功率分配矩阵，1T为所有元素都为1的列向量，1T的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，B为整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率，1Tp≤P0中的1Tp为合法信道功率之和，P0为满足预设均方差的最大发射功率；
求解所述第二函数模型得到所述功率分配矩阵。
优选地，所述根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解具体为：
根据求解所述发射预编码矩阵的最优解；
其中，V为半酉矩阵，所述V的列元素为矩阵的B个递增排序的最大特征值对应的特征矢量。
优选地，所述根据所述功率分配矩阵计算出人工噪声编码矩阵的最优解具体为：
根据求解得到所述人工噪声编码矩阵的最优解；
其中，Γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，V′为由剩余的Na-N个特征向量构成的矩阵，Na为发射端电力线通信信道数目，N为所述功率分配矩阵中用来发射所述编码发射信号的电力线通信信道数目，Na-N为用来发射所述编码人工噪声的电力线通信信道数目，Na＞B，且
优选地，所述计算所述接收信号估计值的均方差之后，该物理层通信方法还包括：
计算所述均方差的最优解；
判断所述均方差的最优解是否不大于预设均方差；
否则重新根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值，直至所述均方差的最优解不大于所述预设均方差。
优选地，所述计算所述均方差的最优解具体为：
根据所述第一函数模型计算得到所述接收解码矩阵的最优解；
将所述接收解码矩阵的最优解代入所述均方差中得到所述均方差的最优解。
优选地，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵的最优解；
则所述根据所述功率分配矩阵、所述编码发射信号以及所述编码人工噪声构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信具体为：
根据所述功率分配矩阵的最优解对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电力线通信系统的物理层通信设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述电力线通信系统的物理层通信方法的步骤。
本发明提供了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据信道矩阵确定功率分配矩阵；根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。
可见，本发明中，每次发射信号前根据合法接收端当前的信道矩阵确定出功率分配矩阵，进而计算出发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解，由于发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解都是根据当前的信道矩阵确定出来的，且信道矩阵处于时刻变化的状态，因此根据发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解也是时刻变化的，编码方式的不断变化意味着窃取者没有针对性，难以破解编码后的发射信号，提高了电力线通信系统的安全性，且通过发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解进行编码可以保证合法用户的正常通信，符合通信标准。
本发明还提供了一种电力线通信系统的物理层通信设备，具有如上物理层通信方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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发明的一些实施例，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为本发明提供的一种电力线通信系统的物理层通信方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种2×2输入输出系统中最大功率约束下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；
图3为本发明提供的一种2×3输入输出系统中最大功率约束下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；
图4为本发明提供的一种2×4输入输出系统中最大功率约束下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；
图5为本发明提供的一种2×2输入输出系统中固定期望MSE目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图；
图6为本发明提供的一种2×3输入输出系统中固定期望MSE目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图；
图7为本发明提供的一种2×4输入输出系统中固定期望MSE目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图；
图8为本发明提供的一种电力线通信系统的物理层通信设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电力线通信系统的物理层通信方法，提高了电力线通信系统的安全性；本发明的另一核心是提供一种电力线通信系统的物理层通信设备，提高了电力线通信系统的安全性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明提供的一种电力线通信系统的物理层通信方法的流程示意图，包括：
步骤S1：每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；
具体的，本发明实施例中，首先可以确定出合法接收端当前的信道矩阵，然后基于当前的信道矩阵可以进行后续步骤，且每次在发射信号前均可以测试合法接收端当前的信道矩阵并进行后续步骤，因此便可以利用各个时刻不同的信号矩阵进行后续的各步骤。
步骤S2：根据信道矩阵确定功率分配矩阵；
具体的，根据信道矩阵可以确定出功率分配矩阵，功率分配矩阵可以决定有用信号以及人工噪声的发射功率，还可以通过功率分配矩阵来确定有用信号中各部分所占电力线通信信道数目等，本发明实施例在此不做限定。
步骤S3：根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；
具体的，本发明实施例中，计算出的发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解可以为后续的构造信号以及发射信号做准备。
步骤S4：根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；
具体的，本发明实施例中，编码发射信号经过发射预编码矩阵的最优解编码得到，编码人工噪声经过人工噪声编码矩阵的最优解编码得到，此种情况下可以使得用户端接收到的发射信号质量可靠，符合通信标准的要求。
其中，人工噪声可以用于干扰窃听者，提高发射信号的保密容量。
步骤S5：根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。
具体的，本发明实施例中，根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，由于编码发射信号以及编码人工噪声的编码方式都是依据当前合法接收端信当前的道矩阵确定的，当处于不断变化中的信道矩阵变化时，每个时刻生成的发射信号的编码方式也就不同，此种情况下，即使窃取者窃取了电力线通信中的信号，也没有可能针对某一个具体的编码方式进行解密，提高了电力线通信系统的安全性。
另外，本发明实施例中，电力线中包括火线P、零线N以及地线PE，其中任意二者的差分电压皆可用于信号的传输，且由基尔霍夫定律可知，三个差分信号之和为零，故本发明实施例中可选取其中任意二者进行信号传输。
本发明提供了一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；根据信道矩阵确定功率分配矩阵；根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；根据发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；根据功率分配矩阵对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。
可见，本发明中，每次发射信号前根据合法接收端当前的信道矩阵确定出功率分配矩阵，进而计算出发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解，由于发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解都是根据当前的信道矩阵确定出来的，且信道矩阵处于时刻变化的状态，因此根据发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解也是时刻变化的，编码方式的不断变化意味着窃取者没有针对性，难以破解编码后的发射信号，提高了电力线通信系统的安全性，且通过发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解进行编码可以保证合法用户的正常通信，符合通信标准。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选的实施例，根据信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据信道矩阵确定合法接收端的接收信号估计值；
计算接收信号估计值的均方差；
根据均方差计算出功率分配矩阵。
具体的，本发明实施例中，将基于均方差的联合收发优化算法与人工噪声干扰策略相结合，在复杂低压电力线信道环境中，不仅可以克服发送端未知窃听者信道信息的缺点，还可以有效提高通信系统中合法接收端的均方差性能，并且能够最大程度地干扰窃听者的均方差性能，使得电力线通信系统更加安全可靠。
其中，在确定出合法接收端的接收信号估计值后，可以采用合法接收端的接收信号估计值的均方差来度量合法接收端的系统性能。
作为一种优选的实施例，接收信号估计值为：
其中，为接收信号估计值，Hb为信道矩阵，Rb为合法接收端的接收解码矩阵，nb为合法接收端的零均值复高斯噪声，T为发射预编码矩阵，Γ为人工噪声编码矩阵，s为有用信号，z为人工噪声矢量；
具体的，首先可以对电力线上合法接收端的接收信号估计值进行估计，进而可以采用接收信号估计值的均方差来度量合法接收端的系统性能。
则计算接收信号估计值的均方差具体为：
其中，MSEb(T,Γ,Rb)为接收信号估计值的均方差，E{eeH}为eeH的期望值，I为单位矩阵，σn 2为与信道矩阵对应的电力线传输通道上零均值复高斯噪声矢量的方差，H为共轭转置。
具体的，可以先定义接收信号估计值与发射端的有用信号估计值之间的误差矢量，即
作为一种优选的实施例，根据均方差计算出功率分配矩阵具体为：
以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以均方差最小化为目标函数建立第一函数模型：
s.t.Tr(TTH)+Tr(ΓΓH)≤Pa
其中，Pa可以为发射机预先设定的发射功率值，Tr(·)表示求矩阵的迹；
具体地，假设窃听者的窃听信道未知，对于发射端而言，最佳的策略是在保证合法接收端享受正常通信的同时，利用最大的发射功率沿着不会对合法接收端产生干扰的空间维数均匀地广播高斯噪声。特别地，对于所有可能的有用信号和人工噪声，要求满足HbTs⊥HbΓz，因此上述条件即为合法接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间的正交性条件。只要保证在合法接收端的接收信号中的人工噪声与有用信号在空间上正交，这样人工噪声就可以在合法接收端消除。此外，发射端还应满足预先约定好的功率约束条件。在此基础上，可以以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以均方差最小化为目标函数建立第一函数模型。
将第一函数模型简化得到第二函数模型：
s.t.1Tp≤P0,p≥0
其中，p为功率分配矩阵，1T为所有元素都为1的列向量，1T的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，B为整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率，1Tp≤P0中的1Tp为合法信道功率之和，P0为满足预设均方差的最大发射功率；
求解第二函数模型得到功率分配矩阵。
具体的，可以通过求解第二函数模型得到功率分配矩阵，使得在功率分配矩阵分配下的编码发射信号以及编码人工信号符合通信标准，且使得用户接收到的噪声最小化。
当然，除了以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以均方差最小化为目标函数建立第一函数模型得到功率分配矩阵外，还可以通过其他方法得到功率分配矩阵，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，根据功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解具体为：
根据求解发射预编码矩阵的最优解；
其中，V为半酉矩阵，V的列元素为矩阵的B个递增排序的最大特征值对应的特征矢量。
具体的，根据求解出的发射预编码矩阵的最优解具有编码可靠以及能够使得合法用户接收到完整地发射信号等优点。
当了，除了上述方法外，还可以采用其他的方法求解发射预编码矩阵的最优解，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，根据功率分配矩阵计算出人工噪声编码矩阵的最优解具体为：
根据求解得到人工噪声编码矩阵的最优解；
其中，Γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，V′为由剩余的Na-N个特征向量构成的矩阵，Na为发射端电力线通信信道数目，N为功率分配矩阵中用来发射编码发射信号的电力线通信信道数目，Na-N为用来发射编码人工噪声的电力线通信信道数目，Na＞B，且
具体的，通过上述方法求得的人工噪声编码矩阵参考了预先设定的发射功率值Pa以及满足预设均方差的最大发射功率P0，还参考了发射编码人工噪声的电力线通信信道数目Na-N，该人工噪声编码矩阵符合通信中的电力线通信信道数目要求以及功率要求，在此基础上能够通过对人工噪声的编码实现对窃听用户的干扰。
其中，可以通过选择Γ为矩阵剩余的Na-N个特征向量使得Γ满足记为V′。
当然，除了上述求得人工噪声编码矩阵的方法外，还可以利用其它的方法求的人工噪声编码矩阵，本发明实施例在此不做限定。
作为一种优选的实施例，计算接收信号估计值的均方差之后，该物理层通信方法还包括：
计算均方差的最优解；
判断均方差的最优解是否不大于预设均方差；
否则重新根据信道矩阵确定合法接收端的接收信号估计值，直至均方差的最优解不大于预设均方差。
具体的，可以在计算接收信号估计值的均方差后，计算均方差的最优解，判断均方差的最优解是否不大于预设均方差，若大于预设均方差则重新根据信道矩阵确定合法接收端的接收信号估计值，直至均方差的最优解不大于预设均方差为止。
其中，预设均方差可以为用户需求的均方差，本发明实施例在此不做限定。
另外，还可以根据窃听者的接收信号估计值计算窃听者接收端的均方差以及窃听者接收端均方差的最优解，并评估窃听者接收端的性能，窃听者接收端的接收信号估计值可表示为：
其中，He为发射端-窃听者间的信道矩阵，Re为窃听者的接收解码矩阵，ne为窃听者的零均值复高斯噪声。
作为一种优选的实施例，计算均方差的最优解具体为：
根据第一函数模型计算得到接收解码矩阵的最优解；
将接收解码矩阵的最优解代入均方差中得到均方差的最优解。
具体的，在求解第一函数模型时，可以首先固定发射预编码矩阵T以及人工噪声编码矩阵Γ，以此可以获得接收解码矩阵的最优解：
与线性最小均方差接收机相同，可以同时最小化MSE(Mean Square Error，均方差)矩阵的所有对角线元素，于是同时也最小化MSEb(T,Γ,Rb)。
具体的，在得到接收解码矩阵的最优解之后，可以将接收解码矩阵的最优解Rb,opt代入均方差MSEb(T,Γ,Rb)，进而得到均方差的最优解：
由于于是合法接收者的MSE矩阵的最优解可进一步表示为：
作为一种优选的实施例，根据信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据信道矩阵确定功率分配矩阵的最优解；
则根据功率分配矩阵、编码发射信号以及编码人工噪声构造发射信号，以便根据发射信号进行通信具体为：
根据功率分配矩阵的最优解对编码发射信号以及编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据发射信号进行通信。
为了更好地对本发明实施例进行说明，请参考图2至图7，图2、图3和图4分别给出了2×2、2×3和2×4输入输出系统中，当Pa＝20dB且用户信道噪声方差和窃听信道方差均为0.7时，合法通信信道和窃听信道可达MSE随期望MSE目标值变化曲线。由图可知，对所提出的干扰噪声辅助的物理层安全策略，几种典型的多输入多输出电力线通信合法用户能够达到期望MSE目标值，而窃听用户信道的MSE总是高于合法用户信道的MSE。说明采用基于人工噪声辅助的线性MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方差)联合收发优化算法可以在保障合法用户的MSE同时又能最大程度恶化窃听用户的MSE，从而提高数据的安全性。其中，上述M×N中的M表述发射端的电力线通道，N代表合法接收端的电力线通道。
图5、图6和图7分别给出了2×2、2×3和2×4输入输出系统中，当期望方差θb＝0.4，且合法接收者和窃听者信道噪声方差相等时，基于MMSE联合收发优化算法的可达MSE性能随发射功率的变化曲线。由图可知，除去发射功率很小的情况，在未知窃听信道情况下，电力线通信合法用户均可达到期望MSE目标值0.4，而窃听用户信道的MSE会高出合法用户很多，而且随着发射功率的增大窃听用户信道的MSE呈现上升趋势，这是因为通信传输有用信息的功率恒定，随着总发射功率的增大，发射噪声的功率也在增加，从而增强了对窃听信道的恶化程度，更好地实现了对电力线通信的的安全保护。在发射功率很小的情况下出现了窃听用户信道的MSE小于合法用户信道的MSE，这是因为了满足合法用户期望方差为θb＝0.4需要发射功率达到一定的值，当发射功率小于这个值时，所有功率将都用于发射数据流，此时无噪声产生。
具体的，功率分配矩阵的最优解可以使得在进行功率分配时，使得合法接收端在完整地接收到有用信号的基础上，最大程度的恶化窃听信道的接收信号，增加窃听者接收到的噪声功率。
当然，除了功率分配矩阵的最优解外，还可以确定出功率分配矩阵的其他解，本发明实施例在此不做限定。
请参考图8，图8为本发明提供的一种电力线通信系统的物理层通信设备的结构示意图，包括：
存储器1，用于存储计算机程序；
处理器2，用于执行计算机程序时实现如上任一项电力线通信系统的物理层通信方法的步骤。
对于本发明实施例提供的物理层通信设备的介绍请参照前述物理层通信方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电力线通信系统的物理层通信方法，其特征在于，包括：
每次发射信号前测试合法接收端当前的信道矩阵；
根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵；
根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解以及人工噪声编码矩阵的最优解；
根据所述发射预编码矩阵的最优解对有用信号进行编码得到编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对人工噪声进行编码得到编码人工噪声；
根据所述功率分配矩阵对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。
2.根据权利要求1所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值；
计算所述接收信号估计值的均方差；
根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵。
3.根据权利要求2所述的物理层通信方法，其特征在于，所述接收信号估计值为：
其中，为所述接收信号估计值，Hb为所述信道矩阵，Rb为所述合法接收端的接收解码矩阵，nb为所述合法接收端的零均值复高斯噪声，T为发射预编码矩阵，Γ为人工噪声编码矩阵，s为有用信号，z为人工噪声矢量；
则所述计算所述接收信号估计值的均方差具体为：
其中，MSEb(T,Γ,Rb)为所述接收信号估计值的均方差，Ε{eeH}为eeH的期望值，I为单位矩阵，σn 2为与所述信道矩阵对应的电力线传输通道上零均值复高斯噪声矢量的方差，H为共轭转置。
4.根据权利要求3所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述均方差计算出所述功率分配矩阵具体为：
以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间正交为第二约束条件，并以所述均方差最小化为目标函数建立第一函数模型：
s.t.Tr(TTH)+Tr(ΓΓH)≤Pa
其中，Pa为预先设定的发射功率值，Tr(·)表示求矩阵的迹；
将所述第一函数模型简化得到第二函数模型：
s.t.1Tp≤P0,p≥0
其中，p为所述功率分配矩阵，1T为所有元素都为1的列向量，1T的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，B为整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率，1Tp≤P0中的1Tp为合法信道功率之和，P0为满足预设均方差的最大发射功率；
求解所述第二函数模型得到所述功率分配矩阵。
5.根据权利要求4所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述功率分配矩阵计算发射预编码矩阵的最优解具体为：
根据求解所述发射预编码矩阵的最优解；
其中，V为半酉矩阵，所述V的列元素为矩阵的B个递增排序的最大特征值对应的特征矢量。
6.根据权利要求4所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述功率分配矩阵计算出人工噪声编码矩阵的最优解具体为：
根据求解得到所述人工噪声编码矩阵的最优解；
其中，Γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，V′为由剩余的Na-N个特征向量构成的矩阵，Na为发射端电力线通信信道数目，N为所述功率分配矩阵中用来发射所述编码发射信号的电力线通信信道数目，Na-N为用来发射所述编码人工噪声的电力线通信信道数目，Na＞B，且
7.根据权利要求4所述的物理层通信方法，其特征在于，所述计算所述接收信号估计值的均方差之后，该物理层通信方法还包括：
计算所述均方差的最优解；
判断所述均方差的最优解是否不大于预设均方差；
否则重新根据所述信道矩阵确定所述合法接收端的接收信号估计值，直至所述均方差的最优解不大于所述预设均方差。
8.根据权利要求7所述的物理层通信方法，其特征在于，所述计算所述均方差的最优解具体为：
根据所述第一函数模型计算得到所述接收解码矩阵的最优解；
将所述接收解码矩阵的最优解代入所述均方差中得到所述均方差的最优解。
9.根据权利要求1至8任一项所述的物理层通信方法，其特征在于，所述根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵具体为：
根据所述信道矩阵确定功率分配矩阵的最优解；
则所述根据所述功率分配矩阵、所述编码发射信号以及所述编码人工噪声构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信具体为：
根据所述功率分配矩阵的最优解对所述编码发射信号以及所述编码人工噪声进行功率分配并构造发射信号，以便根据所述发射信号进行通信。
10.一种电力线通信系统的物理层通信设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9任一项所述电力线通信系统的物理层通信方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110300449A (zh) * 2019-07-26 2019-10-01 电子科技大学 一种基于伪多径的安全通信方法及装置
CN110300449B (zh) * 2019-07-26 2022-01-11 电子科技大学 一种基于伪多径的安全通信方法及装置

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