CN114389667B - 一种多播物理层安全通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多播物理层安全通信方法，通过块坐标下降遍历算法对基站发射端的预编码向量和智能反射面的相移矩阵进行优化，最大化期望用户的保密容量，满足高保密的通信需要。本发明针对人工噪声消耗额外功率的情况，采用智能反射面进行辅助通信，同时结合方向调制技术，使用块坐标下降遍历算法对发射端和智能反射面进行优化选择，淘汰保密容量低的组合，提高保密容量，在一定程度降低了窃听者窃听的可能，进一步保证多播物理层安全通信。

Description

一种多播物理层安全通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种安全通信方法，具体为一种基于智能反射面的多播方向调制方法。
背景技术
近些年来，移动通信蓬勃发展，伴随带来的容量和安全性问题越来越显著。当前的无线网络的容量应该进一步提高，以满足高速增长的视频等应用访问的需求，网络容量可以通过部署大规模的天线阵列和提高载波频率等技术来提高。然而在高频率部署更多的基站会产生更多的成本和功耗。同时高频电磁波更难绕过障碍物，因此，在未来的无线通信系统设计中，需要更节能的模式。智能反射面作为一种无源的器件，可以辅助通信，实现更大容量的传输。传统的无线通信方式存在易被窃听和遮挡的缺点，为了满足高保密和可靠的通信需求，需要采用一种更加智能的通信方法。针对复杂多变的电磁环境和窃听手段，基于智能反射面的方向调制方法提供了一种新的解决思路。
目前常用的方向调制技术主要有：波束方向调制和叠加人工噪声的方向调制技术等。
波束方向调制：将波束指向期望用户，缺点表现在用户保密容量不够。
叠加人工噪声的方向调制技术：将人工噪声和方向调制技术进行了结合，发送有用信号的同时，通过分配一定功率的人工噪声达到安全通信的目的，缺点表现在需要额外消耗发射机的功率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多播物理层安全通信方法。本发明属于波束方向调制的大类，为了克服用户保密容量不够和额外消耗发射机功率的缺点，以移动通信多播信息传输为背景，本发明提供一种基于智能反射面的多播方向调制方法，通过块坐标下降遍历算法对基站发射端的预编码向量和智能反射面的相移矩阵进行优化，最大化期望用户的保密容量，满足高保密的通信需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：
步骤1：发射端基站和接收者有一个均匀线阵，发射端的均匀线阵由NT个天线组成，相邻天线之间的距离为d，每个天线均与一个射频链路相连接，射频链路由功率放大器和相移器组成；智能反射面有M个相移单元，存在K个期望用户和1个窃听者作为接收者，期望用户有ND个天线，窃听者有NE个天线，通过迭代预编码向量和智能反射面相移矩阵得到最大的保密容量；
发射端和智能反射面进行完美的信道估计，完美的信道估计指基站、智能反射面、期望用户和窃听者两两之间的信道状态信息已知，发射导频序列，获得信道状态信息，基站和智能反射面的信道状态为
Figure BDA0003472092260000021
基站和期望用户之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000022
基站和窃听者之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000023
智能反射面和期望用户之间的信道状态为
Figure BDA0003472092260000024
智能反射面和窃听者之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000025
基站到用户存在遮挡，不存在直射路径，HBE和HBD为瑞利信道，即H＝HNLOS；与智能反射面相关的信道G、HID和HIE为莱斯信道，即/>
Figure BDA0003472092260000026
其中β为莱斯因子，HLOS和HNLOS分别表示视距路径和非视距路径；同时确定最大迭代次数nmax和迭代次数n＝1；
步骤2：基站发送的信号为
Figure BDA0003472092260000027
其中sk是发送给第k个期望用户的机密信息，/>
Figure BDA0003472092260000028
是相对应的预编码向量，初始化预编码向量f(1)；
步骤3：信号完美同步，第k个期望用户的接收信号表示为
Figure BDA0003472092260000029
其中/>
Figure BDA00034720922600000218
为智能反射面的相移矩阵，/>
Figure BDA00034720922600000210
为叠加的噪声，服从复高斯分布，窃听者的接收信号表示为/>
Figure BDA00034720922600000211
其中nE为叠加的噪声，服从复高斯分布，初始化相移矩阵为Φ(1)；
步骤4：期望用户的信道容量表示为
Figure BDA00034720922600000212
其中
Figure BDA00034720922600000213
表示为基站到期望用户的等效信道，/>
Figure BDA00034720922600000214
表示为干扰加噪声变量，窃听者的信道容量表示为/>
Figure BDA00034720922600000215
其中
Figure BDA00034720922600000216
表示基站到窃听者的等效信道，/>
Figure BDA00034720922600000217
表示为干扰加噪声变量，通过公式/>
Figure BDA0003472092260000031
得到保密容量/>
Figure BDA0003472092260000032
固定相移矩阵Φ(n)，优化预编码向量fk，令/>
Figure BDA0003472092260000033
对/>
Figure BDA0003472092260000034
求导，得到f(n+1)；
步骤5：固定预编码向量f(n+1)，优化相移矩阵Φ，遍历相移矩阵，在保密容量最大的情况下，得到Φ(n+1)；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到n≥nmax时，终止迭代，终止迭代后得到最优的预编码向量fk和相移矩阵Φ。
所述步骤5中，所述优化为计算所有的相移矩阵Φ及对应的保密容量Ck，比较保密容量Ck的大小，把保密容量Ck取最大值时所对应的相移矩阵Φ作为Φ(n+1)；保密容量最大指保密容量
Figure BDA0003472092260000035
取最大值。
本发明的有益效果在于针对人工噪声消耗额外功率的情况，采用智能反射面进行辅助通信，同时结合方向调制技术，使用块坐标下降遍历算法对发射端和智能反射面进行优化选择，淘汰保密容量低的组合，提高保密容量，在一定程度降低了窃听者窃听的可能，进一步保证多播物理层安全通信。
附图说明
图1是本发明的系统模型图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供一种基于智能反射面的多播方向调制方法，通过块坐标下降遍历算法对基站发射端的预编码向量和智能反射面的相移矩阵进行优化，最大化期望用户的保密容量，满足高保密的通信需要。以图1中的情景为例，发射端基站和接收者有一个均匀线阵，发射端的均匀线阵由3个天线组成，相邻天线之间的距离为d，每个天线均与一个射频链路相连接，射频链路由功率放大器和相移器组成。智能反射面有10个相移单元。存在3个期望用户和1个窃听者作为接收者，期望用户有3个天线，窃听者有3个天线。通过迭代预编码向量和相移矩阵得到最大的保密容量。
本发明的技术方案为：
步骤1：基站和智能反射面进行完美的信道估计，发射导频序列，获得信道状态信息，基站和智能反射面的信道状态为
Figure BDA0003472092260000036
基站和期望用户之间的信道状态为
Figure BDA0003472092260000041
基站和窃听者之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000042
智能反射面和期望用户之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000043
智能反射面和窃听者之间的信道状态为/>
Figure BDA0003472092260000044
假设基站到用户存在遮挡，不存在直射路径，HBE和HBD为瑞利信道，即H＝HNLOS。与智能反射面相关的信道G、HID和HIE为莱斯信道，即/>
Figure BDA0003472092260000045
其中β为莱斯因子，HLOS和HNLOS分别表示视距路径和非视距路径。同时确定最大迭代次数nmax＝200和迭代次数n＝1。
步骤2：基站发送的信号为
Figure BDA0003472092260000046
其中sk是发送给第k个期望用户的机密信息，/>
Figure BDA00034720922600000422
是相对应的预编码向量。初始化预编码向量f(1)＝(1,1,…,1)T。
步骤3：信号可以完美同步，所以第k个期望用户的接收信号表示为
Figure BDA0003472092260000048
其中/>
Figure BDA0003472092260000049
为智能反射面的相移矩阵，/>
Figure BDA00034720922600000410
为叠加的噪声，服从复高斯分布；窃听者的接收信号表示为/>
Figure BDA00034720922600000411
其中nE为叠加的噪声，服从复高斯分布，初始化相移矩阵Φ(1)＝diag(1,1,…,1)；
步骤4：期望用户的信道容量表示为
Figure BDA00034720922600000412
其中
Figure BDA00034720922600000413
表示为基站到期望用户的等效信道，/>
Figure BDA00034720922600000414
表示为干扰加噪声变量。窃听者的信道容量表示为/>
Figure BDA00034720922600000415
其中
Figure BDA00034720922600000416
表示基站到窃听者的等效信道，/>
Figure BDA00034720922600000417
表示为干扰加噪声变量。然后通过公式/>
Figure BDA00034720922600000418
可以得到保密容量/>
Figure BDA00034720922600000419
固定相移矩阵Φ(n)，优化预编码向量fk，令/>
Figure BDA00034720922600000420
对/>
Figure BDA00034720922600000421
求导，得到f(n+1)。
步骤5：固定预编码向量f(n+1)，优化相移矩阵Φ，遍历相移矩阵，在保密容量最大的情况下，得到Φ(n+1)。
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到n≥200时，终止迭代。
在期望用户收到的信号中保留有发射信号的全部信息。在多播系统中，期望用户接收到的信号会受到发送到其他期望用户信号的干扰，但这种干扰相比于信号功率是非常小的，这样保证了期望用户的机密信息的接收。

Claims (2)

1.一种多播物理层安全通信方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：发射端基站和接收者各有一个均匀线阵，发射端的均匀线阵由NT个天线组成，相邻天线之间的距离为d，每个天线均与一个射频链路相连接，射频链路由功率放大器和相移器组成；智能反射面有M个相移单元，存在K个期望用户和1个窃听者作为接收者，期望用户有ND个天线，窃听者有NE个天线，通过迭代预编码向量和智能反射面相移矩阵得到最大的保密容量；
发射端和智能反射面进行完美的信道估计，完美的信道估计指基站、智能反射面、期望用户和窃听者两两之间的信道状态信息已知，发射导频序列，获得信道状态信息，基站和智能反射面的信道状态为
Figure FDA0004225826440000011
基站和期望用户之间的信道状态为/>
Figure FDA0004225826440000012
基站和窃听者之间的信道状态为/>
Figure FDA0004225826440000013
智能反射面和期望用户之间的信道状态为
Figure FDA0004225826440000014
智能反射面和窃听者之间的信道状态为/>
Figure FDA0004225826440000015
基站到用户存在遮挡，不存在直射路径，HBE和HBD为瑞利信道，即H＝HNLOS；与智能反射面相关的信道G、HID和HIE为莱斯信道，即/>
Figure FDA0004225826440000016
其中β为莱斯因子，HLOS和HNLOS分别表示视距路径和非视距路径；同时确定最大迭代次数nmax和迭代次数n＝1；
步骤2：基站发送的信号为
Figure FDA0004225826440000017
其中sk是发送给第k个期望用户的机密信息，
Figure FDA0004225826440000018
是相对应的预编码向量，初始化预编码向量f(1)；
步骤3：信号同步，第k个期望用户的接收信号表示为
Figure FDA0004225826440000019
其中/>
Figure FDA00042258264400000110
为智能反射面的相移矩阵，/>
Figure FDA00042258264400000111
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为叠加的噪声，服从复高斯分布，窃听者的接收信号表示为/>
Figure FDA00042258264400000113
其中nE为叠加的噪声，服从复高斯分布，初始化相移矩阵为Φ(1)；
步骤4：期望用户的信道容量表示为
Figure FDA00042258264400000114
其中
Figure FDA00042258264400000115
表示为基站到期望用户的等效信道，/>
Figure FDA00042258264400000116
表示为干扰加噪声变量，窃听者的信道容量表示为/>
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表示基站到窃听者的等效信道，/>
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表示为干扰加噪声变量，通过公式/>
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得到保密容量/>
Figure FDA0004225826440000025
固定相移矩阵Φ(n)，优化预编码向量fk，令/>
Figure FDA0004225826440000026
对/>
Figure FDA0004225826440000027
求导，得到f(n+1)；
步骤5：固定预编码向量f(n+1)，优化相移矩阵Φ，遍历相移矩阵，在保密容量最大的情况下，得到Φ(n+1)；
步骤6：重复步骤4和步骤5，直到n≥nmax时，终止迭代，终止迭代后得到最优的预编码向量fk和相移矩阵Φ。
2.根据权利要求1所述的多播物理层安全通信方法，其特征在于：
所述步骤5中，所述优化为计算所有的相移矩阵Φ及对应的保密容量Ck，比较保密容量Ck的大小，把保密容量Ck取最大值时所对应的相移矩阵Φ作为Φ(n+1)；保密容量最大指保密容量
Figure FDA0004225826440000028
取最大值。
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