CN113067813B

CN113067813B - 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置

Info

Publication number: CN113067813B
Application number: CN202110286945.4A
Authority: CN
Inventors: 吴胜; 欧阳崇峻; 李海涵; 纪哲; 杨鸿文
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN113067813A

Abstract

本申请提供一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法、装置、电子设备和存储介质，该方法包括：根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；对安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率，进而提高了物理层安全传输系统在实际应用中的安全性。

Description

基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置

技术领域

本申请涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，无线网络中的数据流量呈现出指数式的增长。伴随着通信系统可靠性与有效性的不断提高，人们对数据传输的安全性也越来越关注。由于无线信道的广播特性，无线通信系统很容易遭受由窃听攻击导致的信息泄露。

目前，通常采用物理层安全传输技术以提高无线通信系统数据传输的安全性。随着多天线技术的发展，频控阵被应用于物理层安全传输中以改进系统的安全性能。现有技术中，基于频控阵的物理层安全传输系统大都是以高斯信号作为输入信号进行预编码设计以及频率偏移向量设计。然而，高斯信号与数字通信系统在实际应用中的输入信号存在差异，从而导致以高斯信号作为输入信号确定的物理层安全传输系统在实际应用中的安全性较低。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法、装置、电子设备和存储介质，用以在输入信号为数字调制信号时，保证物理层安全传输系统的传输安全性。

第一方面，本发明提供一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法，包括：根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率。在本申请实施例中，根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，构建出的安全传输速率优化模型能适用于有限字符输入信号作为信道输入。进而对该安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率。由于实际的无线信道的输入信号为有限字符输入信号，因此，本申请实施例优化后的物理层安全传输系统在实际应用中能更好的保证通信安全。

在可选的实施方式中，在所述计算优化后的安全传输速率之后，所述方法还包括：当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值。

本申请实施例中，为了能让系统的安全传输速率逼近该系统的最大安全传输速率，会设置一个预设阈值，进行迭代。若在进行一次交替优化后，优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于该预设阈值，则认为本次优化后的安全传输速率还有进一步优化的空间，则以本次优化后的预编码和频率偏移向量作为初始的预编码和初始的频率偏移向量，再进行交替优化，直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值，从而在保证安全性的情况下，尽可能提高物理层传输系统的传输性能。

在可选的实施方式中，所述对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，包括：根据所述预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；根据所述优化后的预编码，利用块连续上界最优化算法对所述预设频率偏移向量进行优化，确定优化后的频率偏移向量。

由于有限字符输入信号没有闭合表达式，且预编码和频率偏移向量是一组耦合的变量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，利用块连续上界最优化算法对所述预设频率偏移向量进行优化，并采用交替优化的方式能减少算法的迭代次数，提高确定预编码和频率偏移向量的效率。

在可选的实施方式中，所述预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，所述根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，包括：根据所述有限字符输入和所述合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比；根据所述有限字符输入和所述窃听用户信道模型确定窃听用户接收信噪比；根据所述合法接收用户接收信噪比和所述窃听用户接收信噪比建立所述安全传输速率优化模型。

第二方面，本发明提供一种基于频控阵的物理层安全传输优化装置，所述装置包括：建立模块，用于根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；优化模块，用于对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率。

在可选的实施方式中，所述优化模块还用于当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值。

在可选的实施方式中，所述优化模块还用于根据所述预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；根据所述优化后的预编码，利用块连续上界最优化算法对所述预设频率偏移向量进行优化，确定优化后的频率偏移向量。

在可选的实施方式中，所述预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，所述根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，所述建立模块还用于根据所述有限字符输入和所述合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比；根据所述有限字符输入和所述窃听用户信道模型确定窃听用户接收信噪比；根据所述合法接收用户接收信噪比和所述窃听用户接收信噪比建立所述安全传输速率优化模型。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述处理器读取并运行时，执行如前述实施方式中任一项所述的方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被计算机读取并运行时，执行如前述实施方式中任一项所述的方法的步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种频控阵的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种基于频控阵的物理层安全传输优化装置的结构框图；

图4为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

图标：300-基于频控阵的物理层安全传输优化装置；301-建立模块；302-优化模块；400-电子设备；401-处理器；402-通信接口；403-存储器；404-总线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

物理层安全(Physical Layer Security，PLS)是指通过合理设计信道编码来实现无线通信的安全传输，使得窃听者无法接收到有价值的信息。

频控阵(Frequency Diverse Array，FDA)是一种可用在实际通信系统中实现波束赋形的多天线阵列结构。频控阵在每条天线阵元上使用不同的发射频率，由于每条天线使用不同的发射频率，频控阵波束的能量分布不再只与角度相关，同时也与距离相关，从而形成了距离和角度双重依赖的波束方向图。通过合理的设计每条天线的频率偏移向量，频控阵可以抑制处于任意位置的用户的接收信噪比。

由于频控阵在安全通信方面的优势，频控阵被应用于物理层安全传输中以改进系统的安全性能。现有技术中，基于频控阵的物理层安全传输系统大都是以高斯信号作为输入信号进行预编码设计以及频率偏移向量设计。

然而，数字通信系统在实际应用中的输入信号往往是数字调制信号，常见的调制方式有相移键控(Phase Shift Keying，PSK)以及正交振幅调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)。在上述的情况下，输入信号取自于某个有限的字符集合，即有限字符输入。由于高斯信号与数字调制信号存在差异，从而导致以高斯信号作为输入信号确定的物理层安全传输系统在实际应用中的安全性较低。

基于上述分析，申请人提出一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法，用于解决上述问题。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法的流程图，该基于频控阵的物理层安全传输优化方法可以包括如下步骤：

步骤S101：根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型。

步骤S102：对安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率。

在进行物理层安全传输时，为了抑制窃听用户的接收信噪比，需要确定合适的信道预编码向量和频率偏移向量，以尽可能提高物理层安全传输系统的安全传输速率。

考虑到在实际的数字通信系统中，输入信号取自于某个有限的字符集合，即有限字符输入，本申请实施例根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型。进而对安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并根据优化后的预编码和频率偏移向量计算优化后的安全传输速率。

下面将对上述流程进行详细说明。

考虑到在实际的数字通信系统中，输入信号取自于某个有限的字符集合，即有限字符输入，本申请实施例根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型。

进一步地，作为一种可选的实施方式，预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，上述步骤S101可以包括如下步骤：

根据有限字符输入和合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比。

根据有限字符输入和窃听用户信道模型确定窃听用户接收信噪比。

根据合法接收用户接收信噪比和窃听用户接收信噪比建立安全传输速率优化模型。

以下根据一个具体的示例对上述步骤进行详细介绍。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种频控阵的结构示意图。在本申请实施例中，发送方配置一个频控阵，具有N条天线，合法接收用户(B)与信源天线之间的距离为r_B，合法接收用户(B)与信源天线之间连线与正北方向的夹角为θ_B；窃听用户(E)与信源天线之间的距离为r_E，窃听用户(E)与信源天线之间连线与正北方向的夹角为θ_E。频控阵的结构如图1所示，其中f_i＝f₀+Δf_i，i∈{1,2,…,N}，f₀表示载波频率，f_i表示第i条天线对应的载波频率，Δf_i表示第i条天线对应的频率偏移。相邻天线阵子之间的距离d往往设置为半波长，即

在上述信道模型下，合法接收用户(B)和窃听用户(E)的接收信号可以表示为：

其中，s表示传输的有限字符输入信号，该信号的功率满足

表示加性高斯白噪声，

表示噪声功率；p表示预编码，该预编码为N×1维向量，满足

表示p的共轭转置；A_i表示由于自由空间传播造成的损耗；

表示信道，其中，信道可以表示为：

在上述信道模型下，接收侧的信噪比可以写为：

由此，该系统的安全传输速率可以表示为：

max{I(γ_B)-I(γ_E),0}

其中，I(γ_i)表示的是有限字符输入下信噪比为γ_i时的互信息的表达式。不同于高斯输入，由于I(γ_i)没有闭合表达式，只能通过蒙特卡洛仿真计算。因此，安全传输速率优化模型可以建模为：

Δf_i∈F＝{f|f_min≤f≤f_max},i∈{1,2,…,N}

上述问题有两个约束条件，第一个为：

用于限制预编码向量的功率；第二为：Δf_i∈F＝{f|f_min≤f≤f_max},i∈{1,2,…,N}，用于限制频率偏移向量的范围。在数字电路中，从工程实现的角度考虑，频率偏移向量的取值是来自于某一个有限集合F，系统的频带范围是[f₀+f_min,f₀+f_max]，带宽为B＝f_max-f_min。

根据上述安全传输速率优化模型可以看出，安全传输速率的大小会受到预编码p和信道

的影响。进而根据上述信道

的表达式可知，信道

是由频率偏移向量f＝[Δf₁,Δf₂,…,Δf_N]确定的。因此，需要对预编码p和频率偏移向量f进行优化以最大化系统的安全传输速率。

进一步地，作为一种可选的实施方式，上述步骤S102可以包括如下步骤：

根据预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；

根据优化后的预编码，利用块连续上界最优化算法对预设频率偏移向量进行优化，确定优化后的频率偏移向量。

根据安全传输速率优化模型可以确定，预编码p和频率偏移向量f是耦合在一起的一组变量，无法进行联合优化。因此，遵循交替优化的原则，对上述p和f进行交替优化。具体地，可以先将预设频率偏移向量f固定，对预设预编码p进行优化。然后将优化后的预编码p固定，设计算法对预设频率偏移向量f进行优化。经过交替优化，可以使得安全传输速率逐渐提高。需要说明的是，也可以先将预设预编码p固定，对预设频率偏移向量f进行优化。然后将优化后的频率偏移向量f固定，设计算法对预设预编码p进行优化。在交替优化时，本申请对先固定预设预编码p还是先固定预设频率偏移向量f不做限定。

需要说明的是，上述预设预编码和预设频率偏移向量为在进行交替优化前，预先设置的初始预编码和初始频率偏移向量。

以下以先固定预设频率偏移向量f为例，进行介绍。

假设预设频率偏移向量f固定，则上述安全传输速率优化模型可以建模为：

根据互信息函数的特点，目标函数

不是一个凸函数。但是，可以求出上述问题最优解对应的必要条件。首先，构造如下的代价函数：

结合KKT条件进行分析，最优预编码向量应该满足如下的关系：

λ≥0

利用上述关系可以确定最后该代价函数可以收敛到KKT点。因此，可以根据梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码进行优化，确定优化后的预编码。仿真表明，这种算法虽然不能保证一定收敛到全局最优点，但算法的收敛性有保障，而且算法的性能比较好。

首先求解函数

关于p^*的梯度。利用互信息函数与MMSE函数之间的关系，结合复数矩阵求导的相关知识，可以得到：

其中，p^*表示p的共轭。

在求得梯度的表达式之后，可以使用梯度下降法结合回溯直线搜索调节步长来加快算法的收敛速度。具体来讲，可以不断调整自变量p的取值，使得它沿梯度变化。如果在当前移动步长下，目标函数递增，则保持这一步长；反之，则缩短相应的搜索步长。当相应的步长小于某个预设值时，结束搜索。为了方便，定义

进一步的，采用梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码进行优化，可以包括如下步骤：

步骤1：初始化p＝p₁，满足条件

设置初始步长u_int，最小步长u_min；

步骤2：设置k＝1，计算安全传输速率R(p₁)，令u＝u_int；

步骤3：计算梯度

步骤4：若u＞u_min，前往步骤5；若u＜u_min，完成优化，输出优化后的预编码p_k和优化后的安全传输速率R_max(p_k)；

步骤5：计算

如果

则归一化p′_k；

步骤6：计算R′＝R_M(p′_k)；

步骤7：若R′＞R_k，更新R_k+1＝R′，p_k+1＝p′_k，u＝u_int，前往步骤8；若R′＜R_k，更新u＝u/2，前往步骤4；

步骤8：令k＝k+1，前往步骤3。

通过采用上述梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码进行优化，可以加快算法的收敛速度，从而提高确定预编码p的效率。

在确定预编码p后，假设预编码向量p是固定的，设计算法来优化频率偏移向量f。在这种情况下，可以将整个优化问题建模为：

s.t.Δf_i∈F＝{f|f_min≤f≤f_max},i∈{1,2,…,N}

本申请实施例采用块连续上界最优化算法(Block Successive Upper-BoundMinimization,BSUM)对频率偏移向量f进行优化。

进一步的，采用块连续上界最优化算法对频率偏移向量进行优化的可以包括如下步骤：

步骤1：初始化f＝f_int，满足制约条件Δf_i∈F,i∈{1,2,…,N}；设置k＝1；

步骤2：固定Δf_i，i∈{1,2,…,k-1,k+1,…,N}，将Δf_k视为变量；对于Δf_k取集合F中的每一个元素，计算相应的安全传输速率R(f_k)；

步骤3：将达到最大安全传输速率的频率偏移值赋值给Δf_k；

步骤4：令k＝k+1。若k＜N+1，去往步骤2；若k＞N+1，完成优化，输出优化后的频率偏移向量f和优化后的安全传输速率R_max(f_k)。

作为一种可选的实施方式，考虑在完成一次交替优化后，确定优化后的预编码p和频率偏移向量f可能并不是最优的情况，系统的安全传输速率还未逼近该系统的最大安全传输速率。因此，在上述步骤S102之后，所述方法还包括：

当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值。

本申请实施例中，为了能让系统的安全传输速率逼近该系统的最大安全传输速率，会设置一个预设阈值，进行迭代。若在进行一次交替优化后，优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于该预设阈值，则认为本次优化后的安全传输速率还有进一步优化的空间，则以本次优化后的预编码和频率偏移向量作为初始的预编码和初始的频率偏移向量，再进行交替优化，直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值，则认为此次优化后的安全传输速率已经接近系统的最大安全传输速率，则保存此次优化后确定的预编码、频率偏移向量和安全传输速率。在后续使用该系统进行物理层安全传输时，则以保存的预编码、频率偏移向量和安全传输速率进行传输。

以下对上述迭代过程进行详细介绍。

步骤1：初始化f＝f₁与p＝p₁，初始化安全传输速率R₁＝0，设置k＝1；

步骤2：设置f＝f_k，初始化p＝p_k，根据上述梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码p_k+1进行优化，并计算优化后的安全传输速率R′_k+1；

步骤3：设置p＝p_k+1，初始化f＝f_k，根据上述梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码f_k+1进行优化，并计算优化后的安全传输速率R_k+1；

步骤4：如果|R_k-R_k+1|≤ε，完成优化，输出优化后的预编码p_k+1，优化后的频率偏移向量f_k+1，优化后的安全传输速率R_k+1；否则，令k＝k+1，前往步骤2。

上述方案的终止条件为|R_k-R_k+1|≤ε，ε为预设阈值。根据前述采用梯度下降法和回溯直线搜索法对预编码进行优化以及采用块连续上界最优化算法对频率偏移向量进行优化的步骤可以保证优化过程中，R_k+1≥R′_k+1≥R_k，从而使得在上述迭代过程中，安全传输速率随着迭代的进行不断提高，进而提高物理层传输系统的传输性能。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供一种基于频控阵的物理层安全传输优化装置。请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种基于频控阵的物理层安全传输优化装置的结构框图，该基于频控阵的物理层安全传输优化装置300包括：

建立模块301，用于根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；

优化模块302，用于对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率。

在可选的实施方式中，所述优化模块302还用于当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值。

在可选的实施方式中，所述优化模块302还用于根据所述预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；根据所述优化后的预编码，利用块连续上界最优化算法对所述预设频率偏移向量进行优化，确定优化后的频率偏移向量。

在可选的实施方式中，所述预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，所述根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，所述建立模块301还用于根据所述有限字符输入和所述合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比；根据所述有限字符输入和所述窃听用户信道模型确定窃听用户接收信噪比；根据所述合法接收用户接收信噪比和所述窃听用户接收信噪比建立所述安全传输速率优化模型。

请参阅图4，图4为本申请实施例的电子设备400的结构示意图，该电子设备400包括：至少一个处理器401，至少一个通信接口402，至少一个存储器403和至少一个总线404。其中，总线404用于实现这些组件直接的连接通信，通信接口402用于与其他节点设备进行信令或数据的通信，存储器403存储有处理器401可执行的机器可读指令。当电子设备400运行时，处理器401与存储器403之间通过总线404通信，机器可读指令被处理器401调用时执行上述备胎共享方法。

处理器401可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器401可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中公开的各种方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器403可以包括但不限于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。

可以理解，图4所示的结构仅为示意，电子设备400还可包括比图4中所示更多或者更少的组件，或者具有与图4所示不同的配置。图4中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。于本申请实施例中，电子设备400可以是，但不限于台式机、笔记本电脑、智能手机、智能穿戴设备、车载设备等实体设备，还可以是虚拟机等虚拟设备。另外，电子设备400也不一定是单台设备，还可以是多台设备的组合，例如服务器集群，等等。

此外，本申请实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机运行时，执行如上述实施例中基于频控阵的物理层安全传输优化方法的步骤。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

在本申请的描述中，术语“包括”、“包含”等表示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“配置为”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

需要说明的是，功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于频控阵的物理层安全传输优化方法，其特征在于，包括：

根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；

对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率；

在所述计算优化后的安全传输速率之后，所述方法还包括：

当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值；

所述对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，包括：

根据所述预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；

根据所述优化后的预编码，利用块连续上界最优化算法对所述预设频率偏移向量进行优化，确定优化后的频率偏移向量；

所述预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，所述根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，包括：

根据所述有限字符输入和所述合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比；

根据所述有限字符输入和所述窃听用户信道模型确定窃听用户接收信噪比；

根据所述合法接收用户接收信噪比和所述窃听用户接收信噪比建立所述安全传输速率优化模型。

2.一种基于频控阵的物理层安全传输优化装置，其特征在于，所述装置包括：

建立模块，用于根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型；

优化模块，用于对所述安全传输速率优化模型中的预设预编码和预设频率偏移向量进行交替优化，确定优化后的预编码和频率偏移向量，并计算优化后的安全传输速率；

所述优化模块还用于当优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值大于预设阈值时，对优化后的预编码和频率偏移向量进行交替优化直至优化后的安全传输速率与优化前的安全传输速率的差值小于预设阈值；

所述优化模块还用于根据所述预设频率偏移向量，利用梯度下降法和回溯直线搜索法对所述预设预编码进行优化，确定优化后的预编码；

所述预设信道模型包括合法接收用户信道模型和窃听用户信道模型，所述根据有限字符输入信号和预设信道模型建立安全传输速率优化模型，所述建立模块还用于根据所述有限字符输入和所述合法接收用户信道模型确定合法接收用户接收信噪比；

3.一种电子设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被所述处理器读取并运行时，执行如权利要求1所述的方法的步骤。

4.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被计算机读取并运行时，执行如权利要求1所述的方法的步骤。