CN114553255A - 一种多用户接入反向散射安全通信方法 - Google Patents

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CN114553255A CN202210233904.3A CN202210233904A CN114553255A CN 114553255 A CN114553255 A CN 114553255A CN 202210233904 A CN202210233904 A CN 202210233904A CN 114553255 A CN114553255 A CN 114553255A
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Abstract

本发明涉及一种多用户接入反向散射安全通信方法，属于通信技术领域，包括以下步骤：S1：全双工收发机向多个反向散射通信设备BD传输多载波连续波射频信号；S2：进行信道估计，得到多个BD的信道估计状态；S3：信道估计后收发机根据信道估计结果计算系统的安全速率；S4：对系统参数进行优化设计；S5：统参数优化后，收发设备根据优化的参数结果，向多个BD发送MC‑RCW，作为目标区域内多个BD的射频源；S6：多个BD接收到收发机发送的MC‑RCW信号后，同时进行反向散射调制；S7：收发机对接收到的反向散射信号进行下变频、滤波，然后将射频信号搬移到基带；收发机采用合并方式进行解调，对多个BD的信息进行解码。

Description

一种多用户接入反向散射安全通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种多用户接入反向散射安全通信方法。
背景技术
传统的反向散射通信(Backscatter communication，BackCom)采用单载波连续波作为反向散射通信设备(BackCom device，BD)的射频源，BD通过改变天线阻抗等方式调制反射波进行反向散射调制实现数据的发送，接收机通过对接收到的BD反射信号的幅度、相位等信息，对BD所传数据进行检测和解码。此类方法限制了BD在同一时刻的接入数量，此外BD硬件复杂度通常较低，限制调制码本的码元数量，这进一步限制了系统的数据传输速率。随着物联网的发展，海量用户场景下的高效数据采集成为了十分值得研究的方向。近年来，利用多载波射频源进行反向散射通信被提出，该方法可以同时接入多个设备，提高了接入数量并提升了数据传输速率。然而，由于反向散射信号在空间中自由传播，其信息存在泄露的风险。由于BD的低复杂特性导致BD的算力十分有限，基于复杂加密技术在多BD安全通信方面的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多用户接入反向散射安全通信方法，利用多载波技术进行后向散射通信，采用随机化连续波提升物理层安全速率，以低复杂度保证数据传输的安全性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多用户接入反向散射安全通信方法，包括以下步骤：
S1：全双工(Fullduplex，FD)收发机向多个反向散射通信设备BD传输多载波连续波射频信号；
S2：进行信道估计，得到多个BD的信道估计状态；
S3：信道估计后收发机根据信道估计结果计算系统的安全速率；
S4：对系统参数进行优化设计，针对安全速率，对参数包括MC-RCW的均值
Figure RE-GDA0003583680190000011
及协方差矩阵Φ进行优化；
S5：统参数优化后，收发设备根据优化的参数结果，向多个BD发送MC-RCW，作为目标区域内多个BD的射频源；
S6：多个BD接收到收发机发送的MC-RCW信号后，同时进行反向散射调制；
S7：收发机对接收到的反向散射信号进行下变频、滤波，然后将射频信号搬移到基带；收发机采用合并方式进行解调，对多个BD的信息进行解码。
进一步，步骤S1中所述全双工收发机具有单天线或者天线阵列的单射频链，其中导频信号的频率与数据传输阶段的多载波RCW信号的频率相同，子载波数量为I。
进一步，步骤S2中，采用最小均方误差(Minimum Mean Squared Error，MMSE)或破零(Zero forcing，ZF)等方法得到多个BD的信道估计状态；假设发射机采用均匀平面天线阵列，阵列尺寸为A∈N+，天线阵元数量为A2，从发射机到第b个BD的信道估计矩阵记作：
Figure RE-GDA0003583680190000021
其中hAB,b,i,a表示从发射机的第a个天线到第b个BD在第i个子载波上的信道状态。
进一步，步骤S3中所述系统的安全速率CS为：
Figure RE-GDA0003583680190000022
其中
Figure RE-GDA0003583680190000023
是CU-CE的近似值：
Figure RE-GDA0003583680190000024
其中，CU是主信道的可达速率，CE是窃听者的可达速率，
Figure RE-GDA0003583680190000025
是CU的解析近似值，
Figure RE-GDA0003583680190000026
是CE的解析近似值；
Figure RE-GDA0003583680190000027
Figure RE-GDA0003583680190000028
公式中各参数定义及推导如下：
假设信息传输阶段收发机发送的第k个时隙的MC-RCW表示为：
Figure RE-GDA0003583680190000029
其中ωi＝2πfi表示第i个子载波的角频率，fi为第i个子载波的中心频率；si,k为第k个时隙第i个子载波上的幅度相位加权；发送射频源的中心频率写作fC＝(f1+fI)/2；将si,k写作向量的形式sk＝[s1,k,s2,k,...,sI,k]T，令sk服从均值为
Figure RE-GDA00035836801900000210
协方差矩阵为Φ的复高斯分布，记作
Figure RE-GDA0003583680190000031
假设系统中有B个BD，每个BD的调制码本为
Figure RE-GDA0003583680190000032
且
Figure RE-GDA0003583680190000033
cm(m∈[1,l])为码本为
Figure RE-GDA0003583680190000034
中的码元，则B个BD码元写成向量形式
Figure RE-GDA0003583680190000035
将从收发机到多个BD再反向散射回收发机的信道记作：
Figure RE-GDA0003583680190000036
其中hUB,B＝HAB,bw，
Figure RE-GDA0003583680190000037
为波束成形向量，φa为第a个阵元的移相器相位，Γ为BD反向散射调制的能量效率。
假设窃听者的信道估计信息已经获取，将收发机到窃听者信道状态记作：
Figure RE-GDA0003583680190000038
其中hAE,i,a为第a个阵元到窃听者在第i个子载波上的信道信息，将BDb到窃听者的信道记作gBE,b＝[gBE,b,1,gBE,b,2,...,gBE,B,I]T，其中gBE,b,i为BDb到窃听者在子载波i上的信道信息；将从收发机到多BD到窃听者的信道记做：
Figure RE-GDA0003583680190000039
记
Figure RE-GDA00035836801900000310
Figure RE-GDA00035836801900000311
即可得到
Figure RE-GDA00035836801900000312
和
Figure RE-GDA00035836801900000313
的表达式，其中I为单位矩阵，
Figure RE-GDA00035836801900000314
进一步，步骤S4中，当系统天线单元数量大于1时波束成形向量w作为优化变量；在实际通信场景中若收发机的位置可以任意调整且信道模型已知，则将收发机位置p作为优化变量，基于安全速率近似表达式对安全速率CS进行优化，优化目标写作：
Figure RE-GDA00035836801900000315
其中Pmax为收发机最大发送功率，Tr(·)代表矩阵的迹，
Figure RE-GDA00035836801900000316
表示移相器的相移。
进一步，步骤S5中，向多个BD发送MC-RCW表示为：
Figure RE-GDA0003583680190000041
BDb在k时隙接收到的信号写作：
Figure RE-GDA0003583680190000042
进一步，步骤S6中，收发机接收到的信号写作：
rU,k＝sk⊙(Hck)+nU,k。
本发明的有益效果在于：提出了一种利用随机化的多载波连续波的多BD安全通信方法，以低复杂度实现多BD通信的同时保证了信息安全，提升接入数量的同时，有效的改善了安全速率。本方法可以有效解决离散码本下系统安全速率难以获取计算复杂度高的问题。本方法相较于非随机化连续波方法可以有效保证通信安全性。本方法可以有效提升用户接入数量和数据传输速率。在相同发射功率下，系统可以通过提升天线单元数量有效的升安全速率且不增加射频链数量；随着天线数量的增加系统能量利用率有效改善，因此该方法可以灵活的适应多种通信场景。本方法仅需要单个射频链路即可实现多个后向散射设备安全接入，此外随机化多载波连续波作为RF源的同时可实现对窃听者的干扰，不需要额外的辅助设备例如人工噪声技术，因此本方法具有低硬件复杂度的优势。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为基于随机化多载波连续波的多BD安全通信系统示意图；
图2为本发明所述多反向散射设备接入安全通信方法流程图；
图3为蒙特卡洛仿真所得CU，CE，CU-CE数值结果与相应近似表达式
Figure RE-GDA0003583680190000043
图4为系统安全速率仿真结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
本发明旨在提供一种多用户接入反向散射安全通信方法，用多载波技术进行后向散射通信，采用随机化连续波提升物理层安全速率。
所述的多用户接入反向散射安全通信方法，包括全双工收发机器与多个反向散射通信用户。其中全双工收发机向多BD发送多载波随机化连续波(Randomized continuouswave， RCW)，多载波RCW作为BD的射频源，多BD将接收到的多载波RCW同时进行反向散射调制实现信息传输。由于射频源采用了多载波技术，系统支持多用户接入，有效提升数传速率；在此基础上，由于采用了RCW技术，随机化的连续波在向多BD提供射频源的同时干扰窃听用户，因此可以有效改善系统的安全速率；针对该系统中离散码本下的可达速率解析表达式难以获取导致的系统优化困难，给出了一种近似解析函数作为优化的目标。所提方法仅需要单个射频链进行多BD安全接入，具有低复杂度优势。
本方法提供的一种多用户接入反向散射安全通信方法，包括以下步骤：
步骤1：基于随机化多载波连续波的多BD安全通信系统如图1所示，一个具有单天线或者天线阵列的单射频链的全双工(Full duplex，FD)收发机从位置p向多个BD传输多载波连续波射频信号用于信道估计。导频信号的频率与数据传输阶段的多载波RCW信号的频率相同，子载波数量为I。
步骤2：信道估计阶段，多个BD同时散射正交的信号，例如哈达玛矩阵等具有正交特性的码本，因此可以采用MMSE、ZF等方法进行信道估计从而得到多个BD的信道估计状态。假设发射机采用均匀平面天线阵列，阵列尺寸为A∈N+，天线阵元数量为A2，从发射机到第 b个BD的信道估计矩阵记作
Figure RE-GDA0003583680190000061
其中hAB,b,i,a表示从发射机的第a个天线到第b个BD在第i个子载波上的信道状态。
步骤3：信道估计后收发机可根据信道估计结果计算系统的安全速率。假设信息传输阶段收发机发送的第k个时隙的MC-RCW可表示为
Figure RE-GDA0003583680190000062
其中ωi＝2πfi表示第i个子载波的角频率，fi为第i个子载波的中心频率；si,k为第k个时隙第i个子载波上的幅度相位加权；发送射频源的中心频率可写作fC＝(f1+fI)/2；为了表示方便，将si,k写作向量的形式sk＝[s1,k,s2,k,...,sI,k]T。令sk服从均值为
Figure RE-GDA0003583680190000063
协方差矩阵为Φ的复高斯分布，记作
Figure RE-GDA0003583680190000064
假设系统中有B个BD，每个BD的调制码本为
Figure RE-GDA0003583680190000065
且
Figure RE-GDA0003583680190000066
cm(m∈[1,l])为码本为
Figure RE-GDA0003583680190000067
中的码元，则B个BD码元可以写成向量形式
Figure RE-GDA0003583680190000068
为了表述方便，在计算系统容量时省略掉时隙下标k。根据前向及反射信道的互异性，可将从收发机到多个BD再反向散射回收发机的信道记作
Figure RE-GDA0003583680190000069
其中hUB,B＝HAB,bw，
Figure RE-GDA00035836801900000610
为波束成形向量，φa为第a个阵元的移相器相位，特别的当A＝1时w＝1。以比特每信道占用(bit per channel use，BPCU)为速率衡量指标，则主信道的可达速率可写作
Figure RE-GDA00035836801900000611
其中
Figure RE-GDA00035836801900000612
为收发机在每个子载波上的噪声功率，⊙代表哈达玛积，
Figure RE-GDA00035836801900000613
代表期望，
Figure RE-GDA00035836801900000614
窃听者的信道信息可通过检测窃听者射频信号泄露等方法估计出，假设窃听者的信道估计信息已经获取，将收发机到窃听者信道状态记作
Figure RE-GDA0003583680190000071
其中hAE,i,a为第a个阵元到窃听者在第i个子载波上的信道信息。将BDb到窃听者的信道记作gBE,b＝[gBE,b,1,gBE,b,2,...,gBE,B,I]T其中gBE,b,i为BDb到窃听者在子载波i上的信道信息。将从收发机到多BD到窃听者的信道记做
Figure RE-GDA0003583680190000072
记
Figure RE-GDA0003583680190000073
及
Figure RE-GDA0003583680190000074
则窃听者的可达速率可写作
Figure RE-GDA0003583680190000075
其中
Figure RE-GDA0003583680190000076
以及
Figure RE-GDA0003583680190000077
系统安全速率可写作
CS＝max{CU-CE,0} (8)
由公式(6)、(7)和(8)可知在BD采用离散码本的情况下，系统安全速率的解析表达式很难求得，因此安全速率CS可根据公式利用蒙特卡洛仿真等方法得到其数值解，但此类方法通场需要很大的运算复杂度。
由于蒙特卡洛仿真需要大量计算，为了降低计算量，利用安全速率的近似函数进行估计是一种高性价比方案，公式(4)中的接收机可达速率CU的解析近似值可以写作
Figure RE-GDA0003583680190000078
此外式(7)中窃听者的可达速率CE的解析近似值可以写作
Figure RE-GDA0003583680190000079
CU-CE的近似表达式可以表示为
Figure RE-GDA00035836801900000710
根据公式(7)中安全速率CS的定义，我们有
Figure RE-GDA0003583680190000081
步骤4：对系统参数进行优化设计。针对安全速率，对参数包括MC-RCW的均值
Figure RE-GDA0003583680190000088
及协方差矩阵为Φ；当系统天线单元数量大于1时波束成形向量w可以作为优化变量；在实际通信场景中若收发机的位置可以任意调整且信道模型已知，例如直射信道模型，则收发机位置p 也可以作为优化变量。由于CS只能通过蒙特卡洛等方法求得数值解，优化算法复杂度高。系统优化可以基于公式(12)中的安全速率近似表达式，优化目标可写作
Figure RE-GDA0003583680190000082
其中Pmax为收发机最大发送功率，Tr(·)代表矩阵的迹，
Figure RE-GDA0003583680190000083
表示移相器的相移。由于系统目标函数是实值可导函数，因此可以通过梯度下降、连续凸近似等方法进行迭代求解从而得到优化后的系统参数
步骤5：系统参数优化后，收发设备根据优化的参数结果，向多个BD发送公式(2)中所表达的MC-RCW作为目标区域内多个BD的射频源。则BDb在k时隙接收到的信号可写作
Figure RE-GDA0003583680190000084
步骤6：多个BD接收到收发机发送的MC-RCW信号后，同时进行反向散射调制。则收发机接收到的信号可写作
rU,k＝sk⊙(Hck)+nU,k (15)
其中
Figure RE-GDA0003583680190000085
为接收机在接收k时隙信号时的噪声矢量。
步骤7：收发机接收到反向散射信号后对这些信号进行下变频、滤波后将射频信号搬移到基带。由于信道状态已知且第k时隙发送的信号sk在收发机本地是已知的，收发机可以采用MMSE、ZF等合并方式进行解调即可对多个BD的信息进行解码。
如图3所示为蒙特卡洛仿真所得CU，CE，CU-CE数值结果与相应近似表达式
Figure RE-GDA0003583680190000086
Figure RE-GDA0003583680190000087
从图中可以看出所提近似函数可以对收发机可达速率、窃听者可达速率以及安全速率实现良好的近似。因此，所提方法可以有效解决离散码本下系统安全速率难以获取计算复杂度高的问题。
如图4所示为5个BD安全通信场景下，系统参数优化后的仿真结果；该场景中每个BD 采用BPSK码本，即码本大小l＝2(每个码元1bit)；图中A代表阵列尺寸，NBF代表阵元数量为1的非BF的情况。对比图4中采用随机化多载波(图例中记作RCW)以及非随机多载波(图例中记作NRCW)的情况，采用多载波RCW技术可以极大地提升系统安全速率。如图所示，随着发送功率的增加，安全速率接近理论极限，此时窃听者的速率趋近于0；而未采用随机化技术的对照组由于无法有效抑制窃听者的速率因而无法保证安全性，尤其是随着功率的增加，收发机CU和窃听者的速率CE均达到理论最大导致安全速率为0。因此，所提方法相较于非随机化连续波方法可以有效保证通信安全性。
图4中系统最大通信速率为5BPCU，即5个BD可以同时接入，并且随着发送功率增加达到理论最大速率(5倍的单BD接入方案下的速率)，因此该方法可以有效提升用户接入数量和数据传输速率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：全双工收发机向多个反向散射通信设备BD传输多载波连续波射频信号；
S2：进行信道估计，得到多个BD的信道估计状态；
S3：信道估计后收发机根据信道估计结果计算系统的安全速率；
S4：对系统参数进行优化设计，针对安全速率，对参数包括MC-RCW的均值
Figure RE-FDA0003583680180000017
及协方差矩阵Φ进行优化；
S5：统参数优化后，收发设备根据优化的参数结果，向多个BD发送MC-RCW，作为目标区域内多个BD的射频源；
S6：多个BD接收到收发机发送的MC-RCW信号后，同时进行反向散射调制；
S7：收发机对接收到的反向散射信号进行下变频、滤波，然后将射频信号搬移到基带；收发机采用合并方式进行解调，对多个BD的信息进行解码。
2.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S1中所述全双工收发机具有单天线或者天线阵列的单射频链，其中导频信号的频率与数据传输阶段的多载波RCW信号的频率相同，子载波数量为I。
3.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S2中，采用最小均方误差MMSE或破零ZF方法进行信道估计从而得到多个BD的信道估计状态；假设发射机采用均匀平面天线阵列，假设阵列尺寸为A∈N+，天线阵元数量为A2，从发射机到第b个BD的信道估计矩阵记作：
Figure RE-FDA0003583680180000011
其中hAB,b,i,a表示从发射机的第a个天线到第b个BD在第i个子载波上的信道状态。
4.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S3中所述系统的安全速率CS为：
Figure RE-FDA0003583680180000012
其中
Figure RE-FDA0003583680180000013
是CU-CE的近似值：
Figure RE-FDA0003583680180000014
其中，CU是主信道的可达速率，CE是窃听者的可达速率，
Figure RE-FDA0003583680180000015
是CU的解析近似值，
Figure RE-FDA0003583680180000016
是CE的解析近似值；
Figure RE-FDA0003583680180000021
Figure RE-FDA0003583680180000022
公式中各参数定义及推导如下：
假设信息传输阶段收发机发送的第k个时隙的MC-RCW表示为：
Figure RE-FDA0003583680180000023
其中ωi＝2πfi表示第i个子载波的角频率，fi为第i个子载波的中心频率；si,k为第k个时隙第i个子载波上的幅度相位加权；发送射频源的中心频率写作fC＝(f1+fI)/2；将si,k写作向量的形式sk＝[s1,k,s2,k,…,sI,k]T，令sk服从均值为
Figure RE-FDA0003583680180000024
协方差矩阵为Φ的复高斯分布，记作
Figure RE-FDA0003583680180000025
假设系统中有B个BD，每个BD的调制码本为
Figure RE-FDA0003583680180000026
且
Figure RE-FDA0003583680180000027
cm(m∈[1,l])为码本为
Figure RE-FDA0003583680180000028
中的码元，则B个BD码元写成向量形式
Figure RE-FDA0003583680180000029
将从收发机到多个BD再反向散射回收发机的信道记作：
Figure RE-FDA00035836801800000210
其中hUB,B＝HAB,bw，
Figure RE-FDA00035836801800000211
为波束成形向量，φa为第a个阵元的移相器相位，Γ为BD反向散射调制的能量效率；
假设窃听者的信道估计信息已经获取，将收发机到窃听者信道状态记作：
Figure RE-FDA00035836801800000212
其中hAE,i,a为第a个阵元到窃听者在第i个子载波上的信道信息，将BDb到窃听者的信道记作gBE,b＝[gBE,b,1,gBE,b,2,...,gBE,B,I]T，其中gBE,b,i为BDb到窃听者在子载波i上的信道信息；将从收发机到多BD到窃听者的信道记做：
Figure RE-FDA00035836801800000213
记
Figure RE-FDA00035836801800000214
Figure RE-FDA0003583680180000031
即得到
Figure RE-FDA0003583680180000032
和
Figure RE-FDA0003583680180000033
的表达式，其中I为单位矩阵，
Figure RE-FDA0003583680180000034
5.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S4中，当系统天线单元数量大于1时波束成形向量w作为优化变量；在实际通信场景中若收发机的位置可以任意调整且信道模型已知，则将收发机位置p作为优化变量，基于安全速率近似表达式对安全速率CS进行优化，优化目标写作
Figure RE-FDA0003583680180000035
s.t.
Figure RE-FDA0003583680180000036
-π＜Θ≤π
其中Pmax为收发机最大发送功率，Tr(·)代表矩阵的迹，
Figure RE-FDA0003583680180000037
表示移相器的相移。
6.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S5中，向多个BD发送MC-RCW表示为：
Figure RE-FDA0003583680180000038
BDb在k时隙接收到的信号写作：
Figure RE-FDA0003583680180000039
7.根据权利要求1所述的多用户接入反向散射安全通信方法，其特征在于：步骤S6中，收发机接收到的信号写作：
rU,k＝sk⊙(Hck)+nU,k。
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