CN110518947A - 一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于毫米波通信的主动窃听环境下的波束成形优化方法，该方法将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，以将传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量；基于凸优化理论计算出使系统安全速率最大化的自适应功率分配因子η^*；从酉矩阵U的列向量中对应于窃听者独自传播时对应的列向量，基于计算出的所述最优功率分配因子η^*，生成人工噪声波束赋形矩阵并发送信息信号。该方法针对毫米波信道的稀疏特性，将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型进行分析，采用一种基于人工噪声波束成形的自适应传输方案，有效地提高通信系统的保密速率，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。

Description

一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法

技术领域

本发明属于无线通信中物理层安全技术领域，具体涉及一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法。

背景技术

近年来，无线通信的发展使得人们可以随时随地接入无线通信网络。然而，无线传播的广播特性意味着传输范围内的所有节点都能接收到信源发出的信号，合法用户的信息容易被窃听用户获取。因此，保证无线通信的安全传输变得尤为重要。相对于传统的物理层方法，物理层安全旨在利用无线通信的物理层特性，如噪声、衰落等，以信息论中的理论为基础保证无线通信的安全性。

1975年Wyner首次定义了含噪的窃听信道模型，并且证明当窃听信道的信噪比比主信道低时可以实现完全的保密通信，并将不依靠密钥仍可以保证主信道信息可靠传输的速率定义为保密速率。进入20世纪末，MIMO技术的出现极大推动了无线通信技术的发展，多天线技术为无线通信物理层安全带来新的机遇和挑战。近年来，已有大量文献研究利用多天线技术提高物理层安全的保密速率。对于多天线系统来讲，以保密速率为目标，对发射信号进行空间分布设计是研究热点。在此类设计中，波束成形技术是其中的重要设计参数。波束成形技术通过将信息流引向合法用户来提高通信效率。而现有研究大多针对被动窃听场景，对于主动窃听场景，随着非法节点窃听能力的增强，通信场景中可能存在具有恶意破坏能力的主动窃听节点，这些窃听节点在窃听的同时破坏正常通信，对系统安全造成更大的威胁。噪声干扰是指非法节点自己或请求他人协作发射干扰信号，干扰合法接收方正常接收信号，以一种间接的方式实现自己增强窃听的目标。

如今，以极高的速率、极大的容量和极低的时延为特点及目标的5G网络业已步入商用化阶段，5G无线技术将通过一个灵活、可靠、安全的无线网络把所有应用、服务、事物联接到一起，进入万物移动互联的时代。5G网络统筹考虑全频段，即考虑利用具有连续大带宽的高频段(一般指6GHz以上的高频段)来满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，同时与中、低频联合组网来解决高频覆盖能力较弱的问题，实现全网覆盖。位于约30～300GHz的毫米波频段以其高可用带宽及可提供几Gbit/s速率的特点成为5G网络极具竞争力的高频候选频段，特别地，适合短距离传输的60GHz已被多个标准组进行了规范。保持通信的隐私性和安全性，一直是无线网络研究的关键问题之一，对于毫米波通信亦然。毫米波通信系统中物理层安全的主要特点有：

(1)由于高路损，毫米波传输距离较短。所以只有地理位置与合法用户较近的窃听者才有可能捕获有用信号；

(2)由于高定向波束的使用，窃听者接收到SNR可能会很低，从而无法在偷听到的消息中恢复有用信号；

(3)特别地，若窃听者位于毫米波通信链路上，可能会遮挡信号造成通信链路中断，这从另一个角度来说，也防止了信号被窃听。

因此，相对传统微波系统而言，毫米波系统可以提供更好的安全通信性能。然而，这并不意味着毫米波通信天然具有绝对的安全性。鉴于无线连接的普遍性，大量的敏感和机密信息，如金融数据、电子密码术和私人视频，通过毫米波无线通道进行传输。因此，提供安全服务仍然是毫米波网络设计和实现必须实现的首要任务之一。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于，提出一种基于毫米波通信的主动窃听环境下的波束成形优化方法，该方法基于安全速率最大化的毫米波通信主动窃听环境下波束成形优化，在窃听端采用主动干扰额情况下，通过在合法信号发送端采用MRT(最大比)发送合法信号与向窃听端发送人工噪声信号，采用一种基于最大化安全速率的功率分配方法，有效提高系统安全性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：(待定稿时再调整)

一种基于毫米波通信的波束成形优化方法，其特征在于，

所述方法包括如下步骤：

S1.依据毫米波通信主动窃听信道模型，将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，该离散角度域信道模型将传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量；

S2.基于凸优化理论计算出使系统安全速率最大化的自适应功率分配因子η^*；

S3.从酉矩阵U的列向量中依据发射角度对应于窃听者独自传播时对应的列向量，基于计算出的所述最优功率分配因子η^*，生成人工噪声波束赋形矩阵并发送信息信号。

优选的，该方法中，发射端包含第一用户、第二用户的估计信道状态信息。

优选的，该方法中，信息发射端配置成数量为N的大规模天线阵，第一用户、第二用户均配置一根天线，

其中，第二用户尝试窃听从发射端发往第一用户的信息并在尝试窃听的同时向第一用户发送干扰信号。

优选的，该方法中，酉矩阵U的列向量包含：

其中，Nt为发射天线数，β为路径衰减，L为所有解析路径数目， 是信道复增益向量，U矩阵的某一列代表着一条空间可解析路径。

优选的，该S3中，通过maxR_s s.t.η∈[0,1]求解使系统安全速率最大化的功率分配因子η^*。

优选的，该方法中，发射端联合发送信息信号和干扰信号，发送的信号x_A可表示为：

其中，η^*为最优功率分配因子，P_A为发射端总的发射功率，是合法接收端信息信号MRT(最大比发射)波束赋形向量，L_E为窃听信道解析路径数，L_C为窃听信道与合法信道地共同路径数， 为人工噪声波束赋形矩阵，有h_ADW₂＝0，为人工噪声信号，且有

优选的，该方法中，在主动窃听环境下第一用户、第二用户接收到的信号分别表示为：

其中，n_B和n_E分别表示零均值的独立同分布加性高斯白噪n_B、声，且P_E为干扰信号发射功率。

有益效果

相对于现有技术中的方案，本申请提出的实施方式优点：

本申请提出一种基于毫米波通信的主动窃听环境下的波束成形优化方法，在毫米波主动窃听环境下，考虑到毫米波信道特性，将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，离散角度域信道模型将可能的传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量，这样简化了在该环境下的量化分析工作。

本申请提出的方法，在主动窃听环境下联合使用最大比传输和人工噪声的波束优化方法，并通过凸优化理论寻找该方法下使得系统安全速率最大化的最优功率分配因子，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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说明书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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1本发明实施例的通信模型图。

图2为本发明实施例的角度域信道模型示意图。

图3为本发明实施例的方法与传统方法安全速率随合法发射端发射功率变化对比。

图4为本发明实施例的方法与传统方法安全速率随窃听端干扰信号发射功率变化对比。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请提出的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例：

本申请中结合毫米波自身传播特性，提出一种基于毫米波通信的波束成形优化方法，该方法的一种实施方式：在主动窃听者的环境下，利用毫米波信道的稀疏特性，将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型进行分析并结合基于人工噪声波束成形的自适应传输方式，这样有效地提高通信系统的保密速率，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。

如图1所示，为本申请实施方式的针对的存在主动窃听的毫米波窃听信道模型，其包括一个包含N_t根天线的发射端(发射机)Alice、单天线的合法接收端Bob(第一用户端)、单天线的窃听端Eva(第二用户端)。

本申请提出的基于毫米波通信的波束成形优化方法，其较佳的应用在基于安全速率最大化的毫米波通信主动窃听环境下波束成形优化方法，该方法包含

将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，即离散角度域信道模型将可能的传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量，其中发射端Alice仅有第一用户端(即合法用户Bob或Bobs)、第二用户端(即窃听用户Eve)的估计信道状态信息。

较佳的，信息发射端Alice配置成数量为N的大规模天线阵，第一用户、第二用户均配置一根天线，第二用户尝试从窃听从发射端发往第一用户的信息并在同时向第一用户端发送干扰信号。基于毫米波的信道特性，发射端从U矩阵中选取对应于第二用户独自传播时对应的列向量，生成MRT和人工噪声联合波束赋形矩阵发送信息信号来达到安全通信的目的。

上述实施方式中，发射端采用一种自适应功率分配方案来最大化系统安全速率，其包含如下的步骤

S1.将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，毫米波信道相关衰落的物理特性可以用Cluster-Ray信道模型来表征，其信道矩阵可以表示为：

其中，分别表示有相应数量的簇以及每一簇中相应数量的传输路径，N_t表示发射天线数，β表示发射端到接收端的平均路径损耗，表示第l_c簇中第l_r条传输路径上的复增益系数，是发射角处的归一化阵列响应向量，在发射端配置均匀线阵，那么阵列响应向量为：

其中，d是相邻的天线间距离，λ是毫米波的波长，通常取d＝λ/2。根据现有统计表明，在所有可能有信号传输的簇中，仅有一簇传输信号的概率是最大的，并且绝大部分发射信号的功率都集中在某一特定簇中。因此，为了简化分析，本申请实施方式中假设信号都经(通过)一簇传输。

聚类射线信道可以很好地表征毫米波信道特征，但是不便于量化分析，可转化为离散角度域信道模型来分析，用空间解析路径代替每一条传输路径。以发射天线长度M＝N_td/λ为标尺，当传输路径对应的Θ的差值小于1/M时，发射天线不能识别这样的路径，以1/M为恒定的值对角度域进行采样，以便用如下的空间正交基代替物理传输路径：

U＝[a(ψ_1),a(ψ_2),…,a(ψ_(N_t))] (3)

其中，矩阵U的每一个列向量对应着一个发射角为θ的传输路径的归一化阵列响应，且有θ_i＝arcsin(ψ_i)，U矩阵的列向量近似地将总的发射信号以1/M的分辨率沿着不同的物理方向发送出去。用发射角Θ对应的ψ_i附近角度1/M范围内所有路径的综合响应表示第i条传输信道的复增益，离散角度域可以表示如下：

其中，是信道复增益向量，U矩阵的某一列代表着一条空间可解析路径。L代表所有的解析路径数目。由于毫米波信道具有稀疏特性，因此L是小于N_t的。因此，仅有某一簇内少量路径可以传输信号，如果第i条路径对应的ψ_i在传输角度范围内，那么信道复增益向量中对应位置的值g_i就是零均值、单位方差的复高斯随机变量，g_i∈CN(0,1)，否则g_i＝0，因此，第一用户、第二用户的信道可以分别描述为

在一实施方式中，发射端联合发送信息信号和干扰信号，发送的信号x_A可表示为：

其中η为功率分配因子，P_A为Alice总的发射功率，是信息信号MRT波束赋形向量，L_E为窃听信道解析路径数，L_C为窃听信道与合法信道地共同路径数，为人工噪声波束赋形矩阵，有h_ADW₂＝0，为人工噪声信号，且有

如图2所示，我们定义 其中代表合法接收端解析路径的索引。定义 其中代表窃听端解析路径的索引。定义为两者重合的路径的索引。定义集合表示在Ω_AE中但不在Ω_C中的路径的索引，表示在Ω_AB中但不在Ω_C中的路径的索引。

定义一个选择函数其中B＝[b₁,b₂,…,b_N]，表示从B中选取对应于Ω中的索引对应的列。定义 此时信道就可以表为：和

在主动窃听环境下，窃听端同时向合法接收端发送干扰信号来干扰合法接收方正常接收信号，所以在主动窃听环境下合法接收者(第一用户)和窃听端(第二用户)接收到的信号分别表示为：

其中n_B和n_E分别表示零均值的独立同分布加性高斯白噪n_B、 声，且P_E为干扰信号发射功率。此时可以得到合法接收端和窃听端的瞬时接收信噪比可以表示为：

其中，

系统安全速率为：

R_s＝[log₂(1+ξ_B) (9)

-log₂(1+ξ_E)]⁺

＝log₂(ξ₀)

式中，[·]⁺表示max(·,0)。

安全速率R_s>0，需满足：

该不等式的物理意义为：不等式左边表示合法信道链路增益与窃听信道链路增益之比，不等式右边表示合法信道接收的干扰信号与窃听信道接收的干扰信号之比，即，只有当目标用户与窃听用户之间的有用信号的功率之比大于两者之间的干扰之比时，正德安全速率才能保证。本发明分析过程中始终保证该不等式成立。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

在一实施方式中，包括以下步骤：利用凸优化理论，求解使得安全速率最大化的最优功率分配因子η^*，该问题可描述为：

max R_s s.t.η∈[0,1]

根据凸优化理论，可证明ξ₀在区间0<η<1上为凸函数，ξ₀关于η的一阶和二阶导数分别表示为：

由上式可知，在0≤η≤1上恒成立，由此可知ξ₀在0<η<1上为凸函数，因此在区间[0,1]内存在唯一的η使ξ₀达到最大值，该唯一的功率分配因子η^*可以通过求解得到。

如图2所示，为本申请实施方式的发射机Alice至接收端Bob的角度域信道模型示意图，将毫米波聚类射线信道模型转换为离散角度域信道模型后，随着窃听端Eva的移动，Eva与Bob交叉的解析路径数目也随之改变。为提高系统安全速率，本申请实施方式中令发射机Alice端联合发送合法信号s和人工噪声信号z，在毫米波主动窃听环境下，发射端Alice发送的信号x_A可表示为：

其中，η^*为所求的最优功率分配因子，P_A为发射机Alice总的发射功率，为信息信号MRT波束赋形向量，L_AE为窃听信道解析路径数，L_C为窃听信道与合法信道地共同路径数， 为人工噪声波束赋形矩阵，有h_ADW₂＝0。为人工噪声信号，且有窃听端同时向合法接收端发送干扰信号来干扰合法接收方正常接收信号，则在主动窃听环境下合法接收者和窃听端接收到的信号分别表示为：

其中n_B和n_E分别表示零均值的独立同分布加性高斯白噪n_B、声，且P_E为干扰信号发射功率。

可以得到合法接收端和窃听端的瞬时接收信噪比可以表示为：

系统安全速率为：R_s＝[log₂(1+ξ_B)-log₂(1+ξ_E)]⁺＝log₂(ξ₀)

上述实施方式中，仿真参数：取路径损耗其中r表示发射端到接收端的距离。发射端配置100根均匀线阵，天线阵元之间的距离等于半波长，合法接收者和窃听者距离发射源100米，每一簇传播的角度为20，合法接收者的发射中心角φ_b＝0°,定义Δφ＝φ_e-φ_b为发送给窃听者的发射簇中心AoD的角度差Δφ的变化对应着公共路径的数量L_c的变化，噪声功率为：

图3描述了发射天线N_t＝100，合法接收端的解析路径等于L_c＝20时，在不同的公共路径数下，采用本申请实施方式与采用传统方案的系统安全速率的仿真曲线，可以看出，随着合法发射端Alice的发射功率不断增大本申请实施方式所采取的方案使得系统安全速率有大幅提升。

图4描述了发射天线N_t＝100，合法接收端的解析路径等于L_c＝20时，在不同公共路径数下，系统安全速率随窃听端窃听干扰信号发射功率增大而变化的情况，可以看出，随着窃听端干扰信号发射功率的不断增大，系统安全速率均有所下降，但本申请实施方式方案仍然优于传统方案。

本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括计算机程序，该计算机程序运行上述的基于毫米波通信的波束成形优化。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机(处理器)可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1.将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，该离散角度域信道模型将传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量；

S2.基于凸优化理论计算出使系统安全速率最大化的自适应功率分配因子η^*；

S3.从酉矩阵U的列向量中依据发射角对应于窃听者独自传播时对应的列向量，基于计算出的所述最优功率分配因子η^*，生成人工噪声波束赋形矩阵并发送信息信号。

2.如权利要求1所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，

所述毫米波聚类射线信道模型，包含信息发射端、第一用户端、第二用户端，所述发射端发送的信息包含第一用户端、第二用户端的估计的信道状态信息。

3.如权利要求2所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，

所述信息发射端、配置成数量为N的大规模天线阵，第一用户端、第二用户端均配置一根天线，

其中，第二用户端尝试窃听从信息发射端发往第一用户端的信息并在尝试窃听的同时向第一用户端发送干扰信号。

4.如权利要求1所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，

所述S1中，通过离散角度域信道模型将传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量

其中，Nt为发射天线数，β为路径衰减，L为所有解析路径数目，是信道复增益向量，U矩阵的某一列代表着一条空间可解析路径。

5.如权利要求1所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，所述S2中，通过maxR_s s.t.η∈[0，1]求解使系统安全速率最大化的功率分配因子η^*。

6.如权利要求1所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，所述S3中，发送的信息信号x_A包含信息信号和干扰信号，其表示为：

其中，η^*为功率分配因子，P_A为发射端总的发射功率，是合法接收端信息信号MRT(最大比发射)波束赋形向量，L_E为窃听信道解析路径数，L_C为窃听信道与合法信道地共同路径数， 为人工噪声波束赋形矩阵，有h_ADW₂＝0，为人工噪声信号，且

7.如权利要求1所述的基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法，其特征在于，在主动窃听环境下，第一用户端、第二用户端接收到的信号分别表示为：

其中，n_B和n_E分别表示零均值的独立同分布加性高斯白噪声、n_B、 且P_E为干扰信号发射功率。