CN109617590B - 多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，在发送端利用窃听信道的信道状态信息，对人工噪声进行最优波束成形，从而在空间中生成特定方向的人工噪声，对窃听端的针对性干扰效果更好，可显著提高系统安全容量；使用CVX工具箱中的连续凸逼近法求解最优值，对优化函数在每次迭代初始点处进行二阶泰勒展开逼近优化函数，在约束条件严凸约束下，求解优化函数的局部紧逼近，算法收敛速度快；考虑实际能量接收机内部电路结构的非线性，采用非线性能量接收机模型，更符合实际，避免了资源分配的误匹配以及由此带来的系统性能下降。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法。
背景技术
无线携能通信技术可利用无线射频信号实现无线信息与能量的同时传输，是解决无线网络能量受限问题、实现绿色通信的重要途径。与传统的无线通信系统相比，无线携能通信系统的安全问题更加突出。在无线携能通信系统中，能量接收者比信息接收者具有更高的功率灵敏度，发送者发送给信息接收者的保密信息非常容易遭到能量接收者的窃听。作为解决问题的方案，物理层安全技术得到了工业界和学术界的高度重视。
在无线携能通信系统物理层安全的研究中，目前已经有大量的研究，提出了各种关于提高系统安全保密容量的方法。公开号为CN107896125A，公开日为2018年4月10号的发明专利“一种全维度多天线SWIPT系统的物理层安全传输方法”，提出了一种以安全传输速率最大化为目标的三维波束成形算法，但该方法使用拉格朗日松弛优化算法求解最优值，计算复杂度高，收敛速度慢；并且忽略了能量接收机的非线性特性对算法性能的影响。公开号为CN108337675A，公开日为2018年7月27日的发明专利“一种适用于单天线系统的基于波形设计的物理层安全通信方法”，提出了以窃听者接收信号信干噪比最小化为目标、根据窃听信道信息对发送端的扩频通信波形进行自适应优化的方法，但该发明使用二分法求解最优值，收敛速度慢，计算时间长；人工噪声信号在合法信道的零信道空间上各向同性，对窃听端干扰的针对性不强；忽略了能量接收机的非线性特性对算法性能的影响，容易造成资源分配的误匹配、从而带来系统性能的下降。
综上所述，现有的无线携能通信系统物理层安全通信方法中，对发送信号进行波束成形的方法计算复杂、收敛速度慢；添加人工噪声的方法需要将人工噪声在合法信道的整个零空间均匀分配、对窃听端干扰的针对性不强；并且考虑理想的线性能量接收机模型，忽略了实际能量接收机电路的非线性特性对算法性能的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，在考虑能量接收电路的非线性的情形下，以系统安全通信容量最大化为目标，对信息信号的波束成形矩阵与人工噪声的波束成形矩阵进行联合优化，生成特定方向的人工噪声信号，并对发送信号进行快速波束成形。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，该通信系统包含一个发送端、一个合法接收端、M个窃听端，发送端具有N根天线，合法接收端和窃听端均具有单根天线，合法接收端与窃听端均具有能量采集功能，所述的物理层安全通信方法的实现步骤如下：
S1、在传输开始时，发送端向所有接收端广播指令，要求所有接收端发送训练信号，其中，接收端包括合法接收端和窃听端；
S2、合法接收端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对合法信道进行估计，得到合法信道状态信息h＝[h1,h2,…,hi…,hN]T，其中hi表示发送端的第i根天线与合法接收端之间的信道信息，其中，i＝1,2,…,N；
S3、第j个窃听端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对第j个窃听信道进行估计，得到窃听端信道状态信息gj＝[g1j,g2j,,g…Nj]T，其中gij表示发送端的第i根天线与第j个窃听端之间的信道信息，j＝1,2,…,M；
S4、发送端生成N维信息信号矢量s＝[s1,s2,…si,…,sN]T，其中si是服从0-1分布的随机变量；
S5、发送端生成M维人工噪声矢量v＝[v1,v2,…,vj…,vM]T，其中vj是服从高斯分布的随机变量；
S6、发送端获取最优的信息信号波束成形矢量q*，以及最优的人工噪声波束成形矩阵w*；
S7、利用所述的信息信号波束成形矢量q*，以及人工噪声波束成形矩阵w*分别对信息信号s、人工噪声v进行波束成形，二者叠加后得到发送信号x，即x＝q*s+w*v。
进一步地，所述的步骤S6包括以下过程：
S6.1、定义最大化系统安全容量的优化问题：
subject to C1:tr(Q+W)≤P
C3:W≥0
其中，R＝F(Q,W)-G(Q,W)是目标函数，R是系统的安全容量，Q、W分别表示q与w的协方差矩阵，由式Q＝qqH、W＝wwH给出；F(Q,W)与G(Q,W)分别由式
与
给出，其中
gj(Q,W)由式
给出，
是合法接收端的加性高斯白噪声方差，
是窃听端j的加性高斯白噪声方差；约束条件C1中的P表示发送端最大发送功率，tr[(Q+W)]表示矩阵Q+W的迹；约束条件C2中的
表示合法接收端所要求的最低接收能量，Φe表示合法接收端收集到的能量，由式
给出，其中
是合法接收端的能量接收机的饱和输出功率，a和b是由该能量接收机电路所决定的常数,Γe是该能量接收机的输入功率，由式Γe＝tr[(Q+W)H]给出，其中tr[(Q+W)H]表示矩阵(Q+W)H的迹，H表示h的协方差矩阵，由式H＝hhH给出；
S6.2、发送端对信息信号的波束成形矢量q进行初始化，得到初始化的信息信号的波束成形矩阵
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
S6.3、发送端对人工噪声矢量的波束成形矩阵w进行初始化，得到初始化的人工噪声的波束成形矩阵
其中
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
S6.4、设置迭代变量k，k的初始值为1，第k次迭代的可行点表示为(Q(k),W(k))；根据所述的q(0)与w(0)，分别求其协方差矩阵Q(0)、W(0)以及Q(1)、W(1)，获得初始可行点(Q(0),W(0))和(Q(1),W(1))；
S6.5、利用所述的可行点(Q(k),W(k))，求解步骤S6.1中的优化问题，获得(Q,W)在第k次迭代的最优解，记为
当k-1＝0时，获得(Q,W)迭代的最优解，记为
S6.6、根据所述的目标函数，计算安全容量
当k-1＝0时，
S6.7、判断
是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数。若
成立，迭代停止，输出
执行步骤S6.8；否则令k＝k+1，
返回步骤S6.5；
S6.8、对Q*，W*进行特征值分解，得到最优的信息信号波束成形矢量q*和最优的人工噪声波束成形矩阵w*。
进一步地，所述的步骤S6.5中使用凸优化工具包CVX连续凸逼近方法求解步骤S6.1中的优化问题。
进一步地，所述的步骤S6.1中，合法接收端的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm，窃听端j的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm。
进一步地，所述的步骤S6.1中，合法接收端的能量接收机饱和输出功率
常数a、以及常数b的值由能量接收机电路决定，
取值24mW，常数a取值1500,常数b取值0.0022。
进一步地，所述的步骤S6.1中，系统的安全容量R是发明中获取的最优波束成形方案的性能评判标准，R值越大，表示系统的安全通信能力越强，方案越优。
进一步地，所述的步骤S6.1中，合法接收端的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm，窃听端j的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm。
进一步地，所述的步骤S5中，人工噪声矢量元素vj，j＝1,2,…,M是服从独立同分布的高斯随机变量，其均值为0，方差为1。
进一步地，所述的步骤S7中的发送信号向量，是指最终由发送端天线发送的信号，由波束成形后的信息向量和波束成形后的人工噪声向量叠加形成。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明中，发送端利用窃听信道的信道状态信息，对人工噪声进行最优波束成形，从而在空间中生成特定方向的人工噪声，对窃听端的针对性干扰效果更好，可显著提高系统安全容量；
2、本发明使用CVX工具箱中的连续凸逼近法求解最优值，对优化函数在每次迭代初始点处进行二阶泰勒展开逼近优化函数，在约束条件严凸约束下，求解优化函数的局部紧逼近，算法收敛速度快；
3、本发明考虑实际能量接收机内部电路结构的非线性，采用非线性能量接收机模型，更符合实际，避免了资源分配的误匹配以及由此带来的系统性能下降。
附图说明
图1是本发明中的多输入单输出无线携能通信系统示意图；
图2是本发明的实现流程图；
图3是本发明获取最优的信息信号波束成形矢量以及最优的人工噪声波束成形矩阵的迭代算法流程图。
具体实施方式
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。
实施例
本实施例公开了一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，对发信息信号波束成形矢量和人工噪声波束成形矩阵进行联合优化，该方法基于如图1所示的多输入单输出无线携能通信系统场景进行实施，优化的流程步骤如图2所示，发送信息信号波束成形矢量和人工噪声波束成形矩阵联合优化算法的迭代流程如图3所示。
该通信系统包含一个发送端、一个合法接收端、3个窃听端，发送端具有6根天线，合法接收端和窃听端均具有单根天线；合法接收端与窃听端均具有能量采集功能。
该物理层安全通信方法的实现步骤如下：
步骤T1、在传输开始时，发送端向所有接收端(包括合法接收端和窃听端)广播指令，要求所有接收端发送训练信号。
步骤T2、合法接收端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对合法信道进行估计，得到合法信道状态信息h＝[h1,h2,…,h6]T，其中hi表示发送端的第i根天线与合法接收端之间的信道信息，其中，i＝1,2,…,6。
步骤T3、第j个窃听端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对第j个窃听信道进行估计，得到窃听端信道状态信息gj＝[g1j,g2j,…,g6j]T，其中gij表示发送端的第i根天线与第j个窃听端之间的信道信息，j＝1,2,3。
步骤T4、发送端生成6维信息信号矢量s＝[s1,s2,…,s6]T，其中si是服从0-1分布(参数为0.5)的随机变量。
步骤T5、发送端生成3维人工噪声矢量v＝[v1,v2,v3]T，其中v1、v2、v3是服从均值为0、方差为1的高斯分布的随机变量。
步骤T6、发送端获取最优的信息信号波束成形矢量q*，以及最优的人工噪声波束成形矩阵w*，具体有以下步骤：
步骤T6.1、定义最大化系统安全容量的优化问题：
其中，R＝F(Q,W)-G(Q,W)是目标函数，R是系统的安全容量，Q、W分别表示q与w的协方差矩阵，由式Q＝qqH、W＝wwH给出；
步骤T6.2、发送端对信息信号的波束成形矩阵q进行初始化，得到初始化的信息信号的波束成形矩阵
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
步骤T6.3、发送端对人工噪声矢量的波束成形矩阵w进行初始化，得到初始化的人工噪声的波束成形矩阵
其中
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
步骤T6.4、设置迭代变量k，k的初始值为0，第k次迭代的可行点表示为(Q(k),W(k))；根据所述的q(0)与W(0)，分别求其协方差矩阵Q(0)、W(0)以及Q(1)、W(1)，获得初始可行点(Q(0),W(0))和(Q(1),W(1))；
步骤T6.5、利用所述的可行点(Q(k),W(k))，使用凸优化工具包CVX连续凸逼近方法求解步骤T6.1所述的优化问题，获得(Q,W)在第k次迭代的最优解，记为
当k-1＝0时，获得(Q,W)迭代的最优解，记为
步骤T6.6、根据所述的目标函数，计算安全容量
当k-1＝0时，
步骤T6.7、判断
是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数，ε＝10-4。若
成立，迭代停止，输出
执行步骤T6.8；否则令k＝k+1，
返回步骤T6.5；
步骤T6.8、对Q*，W*进行特征值分解，得到最优的信息信号波束成形矢量q*和最优的人工噪声波束成形矩阵w*。
步骤T7、利用所述的信息信号波束成形矢量q*，以及人工噪声波束成形矩阵w*分别对信息信号s、人工噪声v进行波束成形，二者叠加后得到发送信号x，即x＝q*s+w*v。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，该通信系统包含一个发送端、一个合法接收端、M个窃听端，发送端具有N根天线，合法接收端和窃听端均具有单根天线，合法接收端与窃听端均具有能量采集功能，其特征在于，所述的物理层安全通信方法的实现步骤如下：
S1、在传输开始时，发送端向所有接收端广播指令，要求所有接收端发送训练信号，其中，接收端包括合法接收端和窃听端；
S2、合法接收端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对合法信道进行估计，得到合法信道状态信息h＝[h1,h2,…,hi…,hN]T，其中hi表示发送端的第i根天线与合法接收端之间的信道信息，其中，i＝1,2,…,N；
S3、第j个窃听端向发送端发送训练符号序列，发送端根据接收的训练符号序列对第j个窃听信道进行估计，得到窃听端信道状态信息gj＝[g1j,g2j,…,gNj]T，其中gij表示发送端的第i根天线与第j个窃听端之间的信道信息，j＝1,2,…,M；
S4、发送端生成N维信息信号矢量s＝[s1,s2,…si,…,sN]T，其中si是服从0-1分布的随机变量；
S5、发送端生成M维人工噪声矢量v＝[v1,v2,…,vj…,vM]T，其中vj是服从高斯分布的随机变量；
S6、发送端获取最优的信息信号波束成形矢量q*，以及最优的人工噪声波束成形矩阵w*，其中，所述的步骤S6包括以下过程：
S6.1、定义最大化系统安全容量的优化问题：
subject to C1:tr(Q+W)≤P
C3:W≥0
其中，R＝F(Q,W)-G(Q,W)是目标函数，R是系统的安全容量，Q、W分别表示q与w的协方差矩阵，由式Q＝qqH、W＝wwH给出；F(Q,W)与G(Q,W)分别由式
与
给出，其中
gj(Q,W)由式
给出，
是合法接收端的加性高斯白噪声方差，
是窃听端j的加性高斯白噪声方差；约束条件C1中的P表示发送端最大发送功率，tr[(Q+W)]表示矩阵Q+W的迹；约束条件C2中的
表示合法接收端所要求的最低接收能量，Φe表示合法接收端收集到的能量，由式
给出，其中
是合法接收端的能量接收机的饱和输出功率，a和b是由该能量接收机电路所决定的常数,Γe是该能量接收机的输入功率，由式Γe＝tr[(Q+W)H]给出，其中tr[(Q+W)H]表示矩阵(Q+W)H的迹，H表示h的协方差矩阵，由式H＝hhH给出；
S6.2、发送端对信息信号的波束成形矢量q进行初始化，得到初始化的信息信号的波束成形矩阵
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
S6.3、发送端对人工噪声矢量的波束成形矩阵w进行初始化，得到初始化的人工噪声的波束成形矩阵
其中
其中
是在[0,1]上服从均匀分布的随机变量；
S6.4、设置迭代变量k，k的初始值为1，第k次迭代的可行点表示为(Q(k),W(k))；根据所述的q(0)与w(0)，分别求其协方差矩阵Q(0)、W(0)以及Q(1)、W(1)，获得初始可行点(Q(0),W(0))和(Q(1),W(1))；
S6.5、利用所述的可行点(Q(k),W(k))，求解步骤S6.1中的优化问题，获得(Q,W)在第k次迭代的最优解，记为(Q(k)*,W(k)*)，当k-1＝0时，获得(Q,W)迭代的最优解，记为(Q(0)*,W(0)*)；
S6.6、根据所述的目标函数，计算安全容量
R(k)＝F(Q(k)*,W(k)*)-G(Q(k)*,W(k)*)，
当k-1＝0时，R(0)＝F(Q(0)*,W(0)*)-G(Q(0)*,W(0)*)；
S6.7、判断
是否成立，其中ε是表示收敛容忍度的常数，若
成立，迭代停止，输出(Q*,W*)＝(Q(k)*,W(k)*)，执行步骤S6.8；否则(Q(k+1),W(k+1))＝(Q(k)*,W(k)*)，并令k＝k+1，返回步骤S6.5；
S6.8、对Q*，W*进行特征值分解，得到最优的信息信号波束成形矢量q*和最优的人工噪声波束成形矩阵w*；
S7、利用所述的信息信号波束成形矢量q*，以及人工噪声波束成形矩阵w*分别对信息信号s、人工噪声v进行波束成形，二者叠加后得到发送信号x，即x＝q*s+w*v。
2.根据权利要求1所述的适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，其特征在于，所述的步骤S6.5中使用凸优化工具包CVX连续凸逼近方法求解步骤S6.1中的优化问题。
3.根据权利要求1所述的适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，其特征在于，所述的步骤S6.1中，合法接收端的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm，窃听端j的加性高斯白噪声方差
取值-120dBm。
4.根据权利要求1所述的适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，其特征在于，所述的步骤S6.1中，合法接收端的能量接收机饱和输出功率
常数a、以及常数b的值由能量接收机电路决定，
取值24mW，常数a取值1500,常数b取值0.0022。
5.根据权利要求1所述的适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，其特征在于，所述的步骤S6.1中，无线携能通信系统的安全容量R是获取的最优波束成形方案的性能评判标准，R值越大，表示无线携能通信系统的安全通信能力越强，方案越优。
6.根据权利要求1所述的适用于多输入单输出无线携能通信系统的物理层安全通信方法，其特征在于，所述步骤S7中的发送信号向量，是指最终由发送端天线发送的信号，由波束成形后的信息向量和波束成形后的人工噪声向量叠加形成。
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