CN112702086B - 通信系统物理层性能优化方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法及装置，其中，方法包括：基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。从而有效增强了电力线通信系统的物理层安全。

Description

通信系统物理层性能优化方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及电力系统优化技术领域，尤其涉及一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法及装置。

背景技术

随着电力技术的不断发展，电力线载波通信已经成为智能用电系统中最为有效的通信方式，随着电力线通信的普及，以及人们对信息安全的意识越来越强，其通信安全问题成为电力通信领域面临的一个重大挑战。除此之外，电力系统中可能存在很多的恶意窃听用户，它们对电网的数据安全是一个巨大的威胁。物理层安全利用信道的唯一性来对数据进行加密解密，作为对上层安全的一种保护，可以有效阻止窃听用户窃取机密信息，物理层安全能够有效提高系统的保密性。因此，对电力线通信物理层安全进行研究显得尤为重要。

电力线通信中实现物理层安全的性能可以通过先进的通信技术来提高，如多输入多输出技术提高保密率，全双工技术提高频谱效率。G.Prasad提出利用接收机兼干扰器以最大限度地提高安全速率，其中安全速率是通过多输入多输出电力线通信系统中接收机节点的带内全双工干扰手段实现的。T.A.Papadopoulos提出在电力线通信系统中引入多输入多输出正交频分复用技术，与单输入单输出系统相比能够有效提高安全速率。

然而，上述研究内容并没有考虑到电力线通信系统应该考虑的许多影响因素，如未知干扰、信道估计误差和恶意窃听者，尤其是多跳和全双工的残余自干扰。

发明内容

本发明提供了一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法及装置，用于解决现有技术在如未知干扰、信道估计误差和恶意窃听者，尤其是多跳和全双工的残余自干扰等干扰因素下物理层安全性能较低的技术问题。

本发明提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法，包括：

基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

可选地，还包括：

对所述私密信息波束成形向量进行验证；

所述采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能的步骤，包括：

当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

可选地，所述对所述私密信息波束成形向量进行验证的步骤，包括：

通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证。

可选地，所述求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量的步骤，包括：

采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

本发明还提供了一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化装置，包括：

优化问题生成模块，用于基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

求解模块，用于求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

优化模块，用于采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

可选地，还包括：

验证模块，用于对所述私密信息波束成形向量进行验证；

所述优化模块，包括：

优化子模块，用于当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

可选地，所述验证模块，包括：

计算子模块，用于通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

验证子模块，用于基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证。

可选地，所述求解模块，包括：

转换子模块，用于采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

求解子模块，用于采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

本发明还提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上任一项所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上任一项所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性，以安全速率为优化目标，生成优化问题；求解优化问题，生成预编码向量和人工噪声向量；采用预编码向量和人工噪声向量优化电力载波通信系统的物理层安全性能。从而有效增强了电力线通信系统的物理层安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法的步骤流程图；

图2为多输入多输出电力线通信传输模型框架图；

图3为本发明实施例提供的一种电力线载波通信系统的结构图；

图4为本发明实施例提供的不同载波频率下电力线通信的安全速率随信噪比的变化趋势图；

图5为本发明实施例提供的在不同自干扰值下电力线通信的安全速率与信噪比的变化关系示意图；

图6为本发明实施例提供的平均安全速率与不同传输功率和收发通道数量的变化关系图；

图7为本发明实施例提供的安全速率与信噪比和信道估计误差的变化曲线图；

图8为本发明实施例提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化装置的结构框图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法及装置，用于解决现有技术在如未知干扰、信道估计误差和恶意窃听者，尤其是多跳和全双工的残余自干扰等干扰因素下物理层安全性能较低的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法的步骤流程图。

本发明提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法，具体可以包括以下步骤：

步骤101，基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

在具体实现中，首先，三相电力线通信利用三相电线作为传输媒介，包括相线(P)、中性线(N)和地线(PE)。电力线通信利用差分通道来传输信号，而一个差分通道是由任意两相组成的，所以最多只有三个差分通道。具体来说，多输入多输出电力线通信传输模型框架图如图2所示。P-N是指由电力线P和N形成的差分通道；N-PE是指由电力线N和PE形成的差分通道；P-PE是指由电力线P和PE形成的差分通道。

为了电力线通信的物理层安全，通常考虑这样的通信系统，包括源节点、中继节点、目的节点和恶意窃听用户，其中恶意的窃听用户试图窃听从源节点传送到目地节点的私密信息。此外，考虑通信系统中存在其他的未知干扰源。具体的电力线载波通信系统模型如图3所示。其中S、R、D、G、E分别表示源节点、中继节点、目的节点、未知干扰和窃听用户，d1-d5表示两节点之间的距离。源节点和窃听用户分别有n_T个发射通道和n_E个接收通道，中继节点和目的节点都有n_T个发射通道和n_R个接收通道。从中继节点到目的节点和窃听用户的信道分别表示为

和

由于全双工的自干扰残余，中继节点和目的节点存在的残余自干扰信号分别表示为

和

此外，考虑到未知干扰是一个信号源，对目的节点和窃听用户的信道影响分别表示为

和

在本发明实施例中的多跳电力线载波通信系统中，中继工作在解码转发模式下，因此，中继节点同事发送的私密信息和人工噪声可表示为：

其中，

表示保密信息数据，

表示私密信息波束成形向量，

表示中继发射的人工噪声向量。假设所有的传输节点的最大可用功率为P，并且有

因此，联合设计的v_b和v_n应该满足如下限制条件：

假定

表示未知的干扰信号，未知干扰信号的功率用P_g表示。因此，在中继节点、目的节点和窃听用户接收到的信号可以分别表示为：

y_R＝C_Sx_S+C_selfx_R+n_r (3)

其中y_R，y_D和y_E表示在中继节点、目的节点和窃听用户接收到的信号。x_S表示源节点发射的信号，x_d表示目的节点转发的信号。

和

表示在中继节点、目的节点和窃听用户接收到的噪声信号。

在本发明实施例中，电力线信道具有衰减特性，电力线信道的衰减不仅受多径的影响，频率的选择性衰落和传输距离也影响信号的衰减。根据电力线信道模型的研究，MK信道模型为基于电力线信道的实际测量，它可以描述典型的电力线信道的复频率响应，并反映出距离和多径的影响。假设信道有N条路径，i表示第i条路径，信道响应为N条路径的信号组成，可以表示为：

其中g_i是路径i的加权因子，a₀和a₁是衰减参数，f表示信号传播的频率，衰减系数k通常取值在0.5～1之间，d_i表示路径i的距离，d_i/v_p表示路径i的延迟。

在本发明实施例中，考虑N＝15的情况，频率范围为1MHz～6MHz，具体的参数取值如下表1所示，其中g_i是服从高斯分布的。

表1

进一步地，在本发明实施例中，考虑到窃听用户属于被动窃听用户，所有的合法信道C_S、C_D和g_D可以通过信道估计获得完美的信道状态信息，窃听信道的信道状态信息会存在误差。因此，C_E和g_E的信道状态信息可以分别表示为：

其中，

和

表示窃听信道C_E和g_E的信道状态估计值，相应的估计误差表示为ΔC_E和Δg_E。当窃听用户处于主动状态时，可以得到窃听信道的完美信道状态，则ΔC_E＝0和Δg_E＝0；反之，当窃听用户完全处于被动状态时，系统无法得到窃听信道的信道状态，则

和

可以保持任意值。

在本发明实施例中，为了获得信道状态信息不确定性对系统性能的影响，可以使用被广泛采用的模型：确定性不确定性模型。在该模型中，由于中继节点和目的节点都是解码转发的全双工节点，因此自干扰C_self和C完全相同。C、ΔC_E和Δg_E分别受制于约束条件(9)-(11)：

其中δ_C、δ_CE和δ_gE为已知常数。在这个确定性的模型下，本发明实施例在最坏信道条件下优化了保密性能。该方案确保了电力线通信系统的绝对鲁棒性，因为可实现的安全速率必然大于上述优化结果。

在获取到上述数据后，根据香农提出的安全容量，优化私密信息波束成形向量v_b和人工噪声协方差矩阵θ，以最大限度地提高最坏情况下的安全速率。优化问题的目标函数可表示为：

其中，η_D和η_E表示目的节点和窃听用户的信噪比，可以分别表示为：

步骤102，求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

在具体实现中，针对优化问题，可以求解使安全速率最大化的私密信息预编码向量和人工噪声向量，得到私密信息波束成形向量和人工噪声向量，利用凸优化原理先将复杂的优化问题进行等效转换，并提出一种基于块梯度下降的分布式迭代算法，然后对优化问题进行求解，获得私密信息波束成形向量。

在本发明实施例中，步骤102可以包括：

采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

在具体实现中，目标函数(12)由于其非凸性，很难得到封闭解。因此，在本发明实施例中，将非凸优化问题(12)转化为一系列凸优化的子问题。以得到封闭解。具体地，定义

可以得到以下关于目标函数(12)的转换公式：

进一步地，为了简化上述公式，还可以进行如下等价转换：

其中，x_D和x_E可以表示如下：

然后目标函数(12)可以表示如下：

通过引入优化变量μ，ρ，ψ，M，N和T，并将目标函数与上述方程展开，优化问题(12)可写为：

到目前为止，求解非凸问题(12)已经转化为求解约束条件(22a)-(22h)。

通过引入下面的公式：

便可以把约束条件(22a)-(22h)进行如下转换：

更进一步地，为了更方便地求救(24)，可以对约束条件进行更进一步的转化。

通过引入特征值方程，约束条件(24b)可以表示为：

另外，对于其他约束条件，引入凸优化的S-Procedure里的相关定理：

定理1：假定F_i∈S_n，g_i∈R_n，h_i∈R，如果满足

以及

则存在λ满足如下的充分必要条件：

根据定理1，约束条件(24a)、(24c)、(24d)、(24e)和(24f)可以分别转化为公式(27)、(28)、(29)、(30)和(31)：

于是，优化问题(12)可以写为：

在本发明实施例中，在得到问题(32)后，可以根据分布式迭代算法来求解相关参数的最优解。在一个示例中，分布式迭代算法可以选用基于块梯度下降的迭代分布式算法，具体的迭代过程见表2：

表2

通过表2的输出参数，可以确定人工噪声向量θ，以及求解出私密信息波束成形向量v_b。

针对私密信息波束成形向量v_b的求解，具体可通过以下过程实现：

首先，可通过MATLAB CVX工具箱求解φ。由于电力线信道的特殊性，v_b是一个二维的列向量。对于v_b和φ，有如下的定义：

因此，由于

私密信息波束成形向量v_b可以通过φ求得。具体如公式(35)所示：

最后，基于

和

私密信息波束成形向量v_b的表达可以如公式(36)所示：

步骤103，采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

在本发明实施例中，在获取到私密信息波束成形向量和人工噪声向量后，可以对电力载波通信系统的物理层安全性能进行优化。

在一个示例中，步骤103可以包括：

通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证；

当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

在一个示例中，可以通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的安全验证安全速率，通过验证安全速率的大小验证私密信息波束成形向量的有效性；当验证安全速率大于预设数值时，可判定验证通过，此时可以采用该私密信息波束成形向量和该人工噪声向量优化电力载波通信系统的物理层安全性能，以达到在不同恶劣环境下实现电力载波通信系统物理层安全的技术效果。

在具体实现中，可以通过MATLAB仿真计算了在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的安全速率。仿真结果平均超过1000次独立试验。假设所有接收节点接收到的信道噪声都是背景高斯噪声加电力线信道固有的脉冲噪声。除非特别说明，设定f＝2MHz，

和

由于频率选择性衰落会影响通信信道的响应，从而对安全速率带来影响。图4描绘了不同载波频率下电力线通信的安全速率随信噪比的变化趋势，其中f＝1MHz、2MHz、4MHz、6MHz，其中n_T＝2，n_R＝3，n_E＝3和δ_C＝0.001。显然，可以看出当载波频率降低时，电力线通信的安全速率增加。具体来说，当载波频率为1MHz时，安全速率最高；当载波频率为6MHz，安全速率最低。这是因为在MK信道下，当频率增加时，信号衰减将会变大。

图5描述了在不同自干扰值下电力线通信的安全速率与信噪比的变化关系，其中n_T＝2，n_R＝3，n_E＝3。如图5所示，当信噪比较低时，在不同自干扰值下的安全速率的区别并不明显；但是当信噪比较高时，它们的区别就比较明显。因为在低信噪比区域噪声对安全速率的影响较大，自干扰对安全速率的影响就不是很明显。但是不管在任何情况下，安全速率会随着信噪比的增加而增加；并且自干扰值越小，安全速率越大。因此，为了提高通信的安全性，减小自干扰的影响是非常有意义的。

为了证明所提出算法在不同传输功率和收发通道数量情况下的鲁棒性，图6提供了平均安全速率与不同传输功率和收发通道数量的变化关系，其中δ_C＝0.001，f＝2MHz，P_g＝2dB。在n_T＝2，n_R＝3，n_E＝3的情况下得到绿色仿真曲线，而灰色仿真曲线则是在n_T＝2，n_R＝2，n_E＝2下获得的。显然，可以看出当接收通道的数量减少时安全速率增加。这是因为接收通道的数量减少，窃听用户的窃听能力会下降；然后，合法通信对的安全速率就会增加。

图7描述了安全速率与信噪比和信道估计误差的变化曲线，其中n_T＝2，n_R＝3，n_E＝3，δ_C＝0.001。如图7所示。当信噪比增加或信道估计误差减小时，安全速率会增加。显然，当信噪比较低时，在不同信道估计误差下的安全速率是相近的。这是因为当信噪比较低时，即使小的信道噪声也会对安全速率产生决定性的影响，而信道估计误差的影响就被相对削弱。但信噪比较大时，信道估计误差就会产生明显的影响。因此，可以通过降低信道估计误差来提高通信的安全速率。

本发明基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性，以安全速率为优化目标，生成优化问题；求解优化问题，生成预编码向量和人工噪声向量；采用预编码向量和人工噪声向量优化电力载波通信系统的物理层安全性能。从而有效增强了电力线通信系统的物理层安全。

请参阅图8，图8为本发明实施例提供的一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化装置的结构框图。

本发明实施例提供了一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化装置，包括：

优化问题生成模块801，用于基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

求解模块802，用于求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

优化模块803，用于采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

在本发明实施例中，还包括：

验证模块，用于对所述私密信息波束成形向量进行验证；

所述优化模块，包括：

优化子模块，用于当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

在本发明实施例中，所述验证模块，包括：

计算子模块，用于通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

验证子模块，用于基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证。

在本发明实施例中，所述求解模块802，包括：

转换子模块，用于采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

求解子模块，用于采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

本发明实施例还提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行本发明实施例所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行本发明实施例所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法，其特征在于，包括：

基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

其中，所述电力线载波通信系统包括源节点、中继节点、目的节点和窃听用户；所述优化问题的目标函数为：

其中，η_D和η_E表示目的节点和窃听用户的信噪比，可以分别表示为：

其中，θ为人工噪声协方差矩阵；C_D为所述中继节点到所述目的节点的信道；C_E为所述中继节点到所述窃听用户的信道；g_D为未知干扰对目的节点的信道影响；g_E为未知干扰对窃听用户的信道影响；n_R为中继节点和目的节点的接收信道；η_D为目的节点的信噪比；n_E为源节点和窃听用户的接收通道接收的信号；η_E为窃听用户的信噪比；v_b为私密信息波束成形向量；P为所有的传输节点的最大可用功率；v_n为中继发射的人工噪声向量；P_g为未知干扰信号的功率；z为未知的干扰信号；δ_d为常数；x_d为目的节点转发的信号；ΔC_E为C_E的信道状态估计误差；Δg_E为C_E的信道状态估计误差；

求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能；

其中，所述求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量的步骤，包括：

采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述私密信息波束成形向量进行验证；

所述采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能的步骤，包括：

当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述私密信息波束成形向量进行验证的步骤，包括：

通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证。

4.一种电力线载波通信系统物理层安全性能优化装置，其特征在于，包括：

优化问题生成模块，用于基于预设电力线载波通信系统、结合全双工技术、非完美信道和位置干扰源增强算法的鲁棒性、人工噪声，以安全速率为优化目标，生成优化问题；

其中，所述电力线载波通信系统包括源节点、中继节点、目的节点和窃听用户；所述优化问题的目标函数为：

其中，η_D和η_E表示目的节点和窃听用户的信噪比，可以分别表示为：

其中，θ为人工噪声协方差矩阵；C_D为所述中继节点到所述目的节点的信道；C_E为所述中继节点到所述窃听用户的信道；g_D为未知干扰对目的节点的信道影响；g_E为未知干扰对窃听用户的信道影响；n_R为中继节点和目的节点的接收信道；η_D为目的节点的信噪比；n_E为源节点和窃听用户的接收通道接收的信号；η_E为窃听用户的信噪比；v_b为私密信息波束成形向量；P为所有的传输节点的最大可用功率；v_n为中继发射的人工噪声向量；P_g为未知干扰信号的功率；z为未知的干扰信号；δ_d为常数；x_d为目的节点转发的信号；ΔC_E为C_E的信道状态估计误差；Δg_E为C_E的信道状态估计误差；

求解模块，用于求解所述优化问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量；

优化模块，用于采用所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能；

其中，所述求解模块，包括：

转换子模块，用于采用凸优化原理将所述优化问题转换为多个优化子问题；

求解子模块，用于采用基于块梯度下降的分布式迭代算法求解多个所述优化子问题，生成私密信息波束成形向量和人工噪声向量。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

验证模块，用于对所述私密信息波束成形向量进行验证；

所述优化模块，包括：

优化子模块，用于当验证通过时，采用通过验证的所述私密信息波束成形向量和所述人工噪声向量优化所述电力载波通信系统的物理层安全性能。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述验证模块，包括：

计算子模块，用于通过MATLAB仿真计算在不同信噪比、不同频率、不同收发通道数以及不同估计误差情况下的验证安全速率；

验证子模块，用于基于所述验证安全速率，对所述私密信息波束成形向量进行验证。

7.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-3任一项所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-3任一项所述的电力线载波通信系统物理层安全性能优化方法。

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