CN110113752B - 基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，包括：测量毫米波信道矩阵在角度域和功率域的稀疏性；计算系统的可达安全速率；根据安全速率选择合适的信源编码和调制方案，在发送端进行数字‑模拟混合预编码；发送端将信道主径与有限的射频链路相连以传输私密信号，同时通过非主径传输伪噪声，在合法用户和窃听端恢复出发送信号。本发明提供的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法能够实现安全通信，且其算法简单，容易实现，对毫米波大规模天线安全通信的设计与实现具有重要指导意义；因通过毫米波信道的非主径传输伪噪声，且由于非主径衰减严重，使其在对窃听者产生严重干扰的同时，几乎不对合法用户产生任何影响。

Description

基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法

技术领域

本发明属于无线通信安全技术领域，涉及一种通信方法，具体涉及一种基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法。

背景技术

随着智能终端、移动互联网以及各种无线业务的普及，移动通信数据流量、设备连接数目、各种新业务需求呈爆炸性增长，人们对信息安全的要求也越来越高。传统安全通信主要通过秘钥技术在网络层和应用层实现。随着潜在窃听终端计算能力的飞速提高，这类技术面临着巨大挑战。已有研究证明，安全通信理论上可以在物理层实现，称为物理层安全。在经典的安全通信信道模型中，通信网络由一个发送端，一个合法接收终端，以及一个窃听终端组成。当合法用户的信道与窃听信道相互独立时，只有合法用户的信道容量大于窃听信道的信道容量，安全通信才能实现。如果窃听终端比合法用户距离发送端近得多，窃听信道的信道容量将大于合法用户，此时研究人员普遍采用伪噪声来提高系统的安全性能。通过合理的设计，伪噪声可以只对窃听终端产生干扰而不对合法用户产生任何影响。

随着大规模天线技术的迅速发展，物理层安全现已被推广到大规模多输入多输出(MIMO)通信系统。具体的，已有文献研究了多种预编码方案(例如，迫零、正则化迫零、以及最大比合并预编码等)和多种伪噪声生成技术(例如，信道矩阵零空间伪噪声和随机伪噪声等)在大规模天线安全通信系统中的性能。为了提高系统的频谱和能量效率，大规模天线阵列将使用成百上千根天线，为每根天线都配置一套射频和数字处理通道不现实，会造成极大的成本开销。因此大规模天线阵列无法实现全数字信号处理，必须采用数字和模拟混合的波束成形或预编码技术。如何设计高效的数模混合波束成形或预编码，实现安全传输性能和天线阵列成本之间的最佳折衷，是现今亟待解决的难题。

为了提高传输速率，下一代移动通信系统将利用毫米波频段丰富的频谱资源。与低频段通信不同，毫米波信道矩阵具有稀疏特性，这给通信系统的设计与实现带来了新的挑战。然而，信道稀疏性在安全通信方面具有潜在的额外优势。稀疏性包含的信道不确定性(例如，主径的方向)可以作为发送端与合法用户间的特殊秘钥，用来提高系统的安全容量。在毫米波大规模天线系统中，如何利用信道的稀疏特性设计高效的混合预编码方案，是一个值得研究的课题。但目前，在现有技术中尚不存在效果令人满意的相关方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，其算法简单，且能够有效提高系统的安全性能。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，包括如下步骤：

1)将信道矩阵

按如下公式转换为角度域信道

其中

和

为离散傅里叶变换矩阵；N_t、N_r、N_e分别为发送端、合法用户端、窃听终端的天线数量；

2)根据常数阈值c＝1将G中元素分为两个集合，分别为：

3)根据步骤2)中

和

按如下公式计算角度域稀疏度ρ和功率域稀疏度η：

其中

和

分别表示集合

和

中元素个数；

4)根据步骤3)中ρ和η，按如下公式计算可获得的安全速率R：

其中[x]⁺＝max{x,0}表示取x和0中的最大值，φ为功率分配系数，P为发送功率，

为热噪声方差，

为信噪比，M_t、M_r、M_e分别为发送端、合法用户端、窃听终端的射频链路数量；

5)在发送端，选择合适的信源编码和调制方案进行混和预编码，包括如下步骤：

a)数字预编码：将数据向量

乘以数字预编码矩阵

得到信号向量

计算公式如下：

其中

表示维度为M_t的单位矩阵；

b)波束选择：将信号向量

和伪噪声向量

通过波束选择单元得到混合信号向量

计算公式如下：

其中波束集合

波束集合

包含M_t条与射频链路相连的主径；伪噪声向量n_AN随机产生，满足

其中

表示求数学期望，Tr{·}表示求矩阵的迹，L_t为发送端主径数量；

c)模拟预编码：将信号向量x_V乘以模拟预编码矩阵A_T得到发送信号向量

计算公式如下:

x＝A_Tx_V

6)在合法用户和窃听端，接收信号向量分别通过模拟解码和波束选择单元，恢复出发送信号。

进一步的，本发明方法基于毫米波大规模天线安全通信网络实现，所述毫米波大规模天线安全通信网络包括发送端、合法接收端、以及窃听终端。

进一步的，所述步骤1)开始时执行如下步骤：发送端、合法用户端、窃听终端分别配置天线和射频链路。

进一步的，所述步骤5)中经混合预编码后待传输的安全信息量小于或等于R。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明提供的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法能够实现安全通信，有效提高安全传输的频谱效率，且其算法简单，容易实现，对毫米波大规模天线安全通信的设计与实现具有重要指导意义。

2.本发明通过毫米波信道的非主径传输伪噪声，由于非主径衰减严重，使其在对窃听者产生严重干扰的同时，几乎不对合法用户产生任何影响。

3.本发明中发送端仅需要获得信道的统计信息，而不需要具体信道信息，因此仅需要用户将估计得到的信道矩阵进行有限反馈，能够有效提高传输效率。

4.本发明在发送端和合法用户端都配置有限数目的射频链路，能够有效降低系统的硬件和功耗成本。

附图说明

图1为实现本发明方法的毫米波大规模天线安全通信网络的系统框图，包括发送端、合法用户以及窃听者。

图2展示了采用本发明提出的毫米波安全通信方案获得的实际安全速率。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提出的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法基于一个毫米波大规模天线安全通信网络实现，如图1所示，该网络由一个发送端，一个合法接收端，以及一个窃听终端组成。本发明方法首先测量毫米波信道矩阵在角度域和功率域的稀疏性，然后计算系统的可达安全速率，然后根据安全速率选择合适的信源编码和调制方案，在发送端进行数字-模拟混合预编码。发送端将信道主径与有限的射频链路相连以传输私密信号，同时通过非主径传输伪噪声。经过混合预编码，私密信号通过稀疏信道的主径发送，被合法用户接收；而伪噪声通过非主径发送，在窃听终端引起干扰。

具体的说，本发明方法包括如下步骤：

1)发送端、合法用户端、窃听终端分别配置N_t＝N_r＝N_e＝128根天线和M_t＝4、M_r＝M_e＝16条射频链路，分别有L_t＝L_r＝L_e＝32条主径，N，M，L可以取任意正整数，只要满足M≤L≤N。将信道矩阵

按如下公式转换为角度域信道

其中

和

为离散傅里叶变换矩阵。

2)根据常数阈值c＝1将G中元素分为两个集合，分别为：

3)根据步骤2)中

和

按如下公式计算角度域稀疏度ρ和功率域稀疏度η：

其中

和

分别表示集合

和

中元素个数；

4)根据步骤3)中ρ和η，按如下公式计算可获得的安全速率R：

其中[x]⁺＝max{x，0}表示取x和0中的最大值，φ＝0.6为功率分配系数，P为发送功率，

为热噪声方差，

为信噪比；

5)在发送端，选择合适的信源编码和调制方案，使得待传输的安全速率不大于R，确保安全通信。进行混和预编码，包括如下步骤：

d)数字预编码：将数据向量

乘以数字预编码矩阵

得到信号向量

计算公式如下：

其中

表示维度为M_t的单位矩阵；

e)波束选择：将信号向量

和伪噪声向量

通过波束选择单元得到混合信号向量

计算公式如下：

其中波束集合

波束集合

包含M_t条与射频链路相连的主径；伪噪声向量n_AN随机产生，满足

其中

表示求数学期望，Tr{·}表示求矩阵的迹；

f)模拟预编码：将信号向量x_V乘以模拟预编码矩阵A_T得到发送信号向量

计算公式如下：

x＝A_Tx_V

6)在合法用户和窃听端，接收信号向量分别通过模拟解码和波束选择单元，恢复出发送信号。

如图1所示，发送端配置N_t根发射天线和M_t条射频链路，稀疏信道有L_t条主径；合法用户配置N_r根接收天线；窃听终端配置N_e根接收天线。在通信时，发送端首先将信源向量s乘以数字预编码矩阵W得到信号向量

然后将随机生成的伪噪声n_AN和

输入波束选择单元产生混合信号向量x_V；最后，将x_V乘以模拟预编码矩阵A_T得到发送信号向量x。经过如上混合预编码，发送端通过主径发送私密信号，同时通过非主径发送伪噪声。

图2展示了采用本发明方法时系统安全速率随信噪比的变化。仿真参数为N_t＝128，M_t＝4，φ＝0.6。如图2所示，系统安全速率随信噪比的增加而递增。由于伪噪声的作用，安全速率在高信噪比时趋于饱和。比较L_t＝32，72，88三个场景，我们发现安全速率随L_t减小而递增，这说明毫米波信道的稀疏特性有益于安全通信的实现。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将信道矩阵

按如下公式转换为角度域信道

其中

和

为离散傅里叶变换矩阵；N_t、N_r、N_e分别为发送端、合法用户端、窃听终端的天线数量；

2)根据常数阈值c＝1将G中元素分为两个集合，分别为：

3)根据步骤2)中

和

按如下公式计算角度域稀疏度ρ和功率域稀疏度η：

其中

和

分别表示集合

和

中元素个数；

4)根据步骤3)中ρ和η，按如下公式计算可获得的安全速率R：

其中[x]⁺＝max{x,0}表示取x和0中的最大值，φ为功率分配系数，P为发送功率，

为热噪声方差，

为信噪比，M_t、M_r、M_e分别为发送端、合法用户端、窃听终端的射频链路数量；

5)在发送端，选择合适的信源编码和调制方案进行混和预编码，包括如下步骤：

a)数字预编码：将数据向量

乘以数字预编码矩阵

得到信号向量

计算公式如下：

其中

表示维度为M_t的单位矩阵；

b)波束选择：将信号向量

和伪噪声向量

通过波束选择单元得到混合信号向量

计算公式如下：

其中波束集合

波束集合

包含M_t条与射频链路相连的主径；伪噪声向量n_AN随机产生，满足

其中

表示求数学期望，Tr{·}表示求矩阵的迹，L_t为发送端主径数量；

c)模拟预编码：将信号向量x_V乘以模拟预编码矩阵A_T得到发送信号向量

计算公式如下:

x＝A_Tx_V

6)在合法用户和窃听端，接收信号向量分别通过模拟解码和波束选择单元，恢复出发送信号。

2.根据权利要求1所述的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，其特征在于，所述方法基于毫米波大规模天线安全通信网络实现，所述毫米波大规模天线安全通信网络包括发送端、合法接收端、以及窃听终端。

3.根据权利要求2所述的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，其特征在于，所述步骤1)开始时执行如下步骤：发送端、合法用户端、窃听终端分别配置天线和射频链路。

4.根据权利要求1所述的基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法，其特征在于，所述步骤5)中经混合预编码后待传输的安全速率小于或等于R。

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