CN114745031A

CN114745031A - 一种全双工mimo物理层安全传输方法

Info

Publication number: CN114745031A
Application number: CN202210240142.XA
Authority: CN
Inventors: 俱莹; 刘文卉; 杨明婕; 裴庆祺
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: CN114745031B

Abstract

本发明属于毫米波全双工通信技术领域，公开一种全双工MIMO物理层安全传输方法，利用混合波束形成在毫米波频段产生的干扰信号；利用基于空间可解析路径的离散角域模型解析毫米波频段，以及利用近场和远场分量的组合表征产生的干扰信号，并结合自干扰抑制参数解析自干扰抑制程度。本发明设计的带有FD干扰接收机的保密传输方案也优于传统的半双工方法，由于充分设计了干扰信号的波束形成，多天线全双工毫米波系统的保密性能不再受自干扰限制。最后，本发明可以得出，若发射功率固定，存在功率分配最优值，以最大化保密速率；对于最大化保密吞吐量问题，则存在保密中断概率约束和功率分配比的最优组合。

Description

一种全双工MIMO物理层安全传输方法

技术领域

本发明属于毫米波全双工通信技术领域，尤其涉及一种全双工MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多发多收)物理层安全传输方法。

背景技术

目前，毫米波通信以其高速和频谱宽等特点为无线网络发展的需求提供了很好的解决方案，被认为是下一代无线通信系统的关键颠覆性技术，有助于解决6GHz以下频段严重的频谱短缺问题，并满足不断增长的数据速率需求。除了高速之外，毫米波通信中的传输安全性已成为一个重要问题。即使毫米波波束足够窄，毫米波通信仍然容易受到信息信号泄漏造成的安全威胁。传统的基于加密算法计算复杂度的网络层安全方案将面临量子计算、复杂密钥管理等严峻挑战。物理层安全技术为传统加密方法提供了有效的补充解决方案，具有增强毫米波通信安全性的潜力。

有人分析了毫米波系统中人工噪声(AN)辅助安全传输方案的平均可实现保密速率，其中每个发射器仅用其发射功率的一小部分发射人工噪声。但是，在发射端采用人工噪声有一定的局限性：发射人工噪声会占用一定的发射功率，而且只适用于多天线发射机。因此人工噪声方案不适用于低功率限制和单天线发射机的情况，这促使分析人员进一步分析结合外部中继发送干扰信号以破坏窃听信道。分析人员在无人机网络中分析了简单协作干扰方案下的保密速率性能。但是，外部中继会带来一定的同步性，移动性和安全性的问题。

随着全双工技术的发展，自干扰消除技术已经可实现将发端自干扰降到不影响全双工应用的较低水平。本发明可以将用接收端代替发射端来发射人工噪声，从而上述问题都可以得到解决。采用全双工干扰接收机增强安全性的有效性也得到了验证，全双工干扰接收机在保密性能方面明显优于半双工干扰接收机。然而，由于自干扰在消除后无法完全消除，并且残留自干扰的水平对全双工干扰接收机的保密有效性有很大影响，因此在评估保密性能时必须结合自干扰。

多天线波束形成技术的发展进一步提高了使用全双工干扰接收机的保密性能，其中采用多天线系统进行波束形成技术，在有完美的信道状态信息(CSI)时，可使合法的发射天线和接收天线对准。

此外，全双工传输通过在同一时区或频率资源区实现用户信号的发送和接收，具有使现有频谱资源的效率翻倍的潜力。鉴于全双工技术对频谱效率和增强保密性的贡献，本发明可以将全双工技术应用到毫米波通信系统中，以实现令人满意的保密性能，同时获得双倍频谱效率的好处。

尽管已经对微波通信的全双工接收器的保密传输方案进行了广泛的分析，但关于毫米波通信的分析却很少。在设计毫米波通信时，仍有许多挑战需要解决。一方面，毫米波信道由于其稀疏的散射特性，分析起来很复杂。另一方面，毫米波全双工安全通信由于毫米波频率的固有衰减特性而受到极高的传播损耗。在路径损耗缓解方面，采用模拟-数字混合波束形成结构，可以接近数字波束形成技术的性能，同时避免数字波束形成带来的高成本和硬件复杂性。此外，由于以毫米波频率工作的数模转换和模数转换的高度非线性，全双工通信仍然会受到残留自干扰的影响。也就是说在分析毫米波全双工通信时结合残余自干扰效应的重要性。

毫米波全双工通信的大部分工作都集中在消除毫米波频段的自干扰上，而对于毫米波全双工系统中的安全传输方案设计和性能分析则没有进一步的分析。鉴于分析差距和结合毫米波和全双工技术的好处，本发明对毫米波全双工系统中的安全传输进行了分析。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术信息传输中，全双工接收器没有在毫米波频段产生干扰信号，降低窃听者的接收质量。使信息保密程度效果差。

(2)现有技术信息传输中，没有结合多天线接收机保密吞吐量的封闭表达式，使得信息传输中保密性增强效果差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全双工MIMO物理层安全传输方法。具体涉及一种基于毫米波通信系统的全双工多天线物理层安全传输方法。

本发明目的在于通过提供一种在毫米波系统中使用全双工干扰接收器的安全传输方案。采用数字/模拟混合波束形成结构来接近全数字波束形成的性能。本发明的方法在源和目的地共同设计波束形成矩阵，优化传输参数达到了最优的保密性能。

本发明是这样实现的，一种全双工MIMO物理层安全传输方法包括：全双工接收器利用混合波束形成在毫米波频段产生的干扰信号；利用基于空间可解析路径的离散角域模型解析毫米波频段，以及利用近场和远场分量的组合表征产生的干扰信号，并结合自干扰抑制参数解析自干扰抑制程度。

进一步，所述双工多天线物理层安全传输方法基于全双工毫米波通信系统进行信号安全传输，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MIMO链路的离散角域信道模型，在S和D处联合混合波束形成干扰信号矩阵，扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异，以及获取部分和全局CSI条件下的保密速率表达式和仅知道部分CSI时保密中断概率约束的保密吞吐量表达式；通过将功率分配比和保密中断概率约束将保密速率表达式和保密吞吐量表达式调整为最佳值获得最大保密速率或保密吞吐量。

进一步，所述全双工毫米波通信系统由具有N_s个天线的源S、目的地D和窃听者E组成；D工作在全双工模式下，全双工天线包括为N_r个接收天线和N_t个发射天线并且N_r,N_t＞1。

进一步，所述毫米波MIMO链路的离散角域信道模型包括S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型，分别为：

L_ij表示不同连接空间可解析路径的数量，其中i∈{s,d},j∈{d,e}；D和E可能共享多个可解析路径，将数量设置为L_c；G_ij(g_ij)是复增益矩阵，元素是可解析路径的增益g_ij；物理路径分散在M个非重叠角域上，并且对于每个角域，都有一个相关的阵列响应；角域中存在物理路径，g_ij是该域内可解析路径的复增益，

否则，g_ij＝0。

进一步，所述干扰信号矩阵为：

H_si＝ρH_dd＝ρ(H_NF+H_FF)

其中H_NF表示近场分量。

进一步，所述保密速率表达式为

保密中断概率为

其中R_t表示码字的实际传输速率，保密速率R_s表示嵌入式保密消息传输的速率。本发明将P_so的约束表示为∈，即P_so≤∈。

进一步，所述保密吞吐量表达式为：

τ＝(1-∈)R_s。

进一步，最大保密速率表述为：

，其中

和

表示W_RF和Q_RF可行列集合,每个元素都是

和

的阵列响应向量；归一化w_BB满足功率约束‖W_RFw_BB‖²＝1；

通过主信道的奇异值分解(SVD)，得到H_sd＝V_LDV_R,其中D是一个对角矩阵，主对角线上的元素是降序奇异值，

和

都是酉矩阵；本发明取最大奇异值对应的V_LandV_R的第一列分别为f_optandw_opt；

在最大程度上减轻D处自干扰造成的影响时，增强E处接收到的干扰信号的能量；最优波束形成向量为

最大化保密吞吐量为：

其中

和

表示W_RF和Q_RF可行列集合，每个元素都是N_r×N_cN_ray矩阵

和N_t×N_cN_ray矩阵

的阵列响应向量；归一化w_BB以满足功率约束‖W_RFw_BB‖²＝1；

最大化保密吞吐量获取方法包括：获取干扰波束形成矩阵Q_RFQ_BB，再通过联合优化α和∈得到τ最大值；

τ为

其中

τ与功率分配比率α和保密中断概率约束∈密切相关。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的全双工MIMO物理层安全传输方法。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

频率资源丰富的毫米波是解决sub-6GHz频段频谱饱和问题的一种很有前景的技术。即使毫米波波束足够窄，毫米波通信仍然容易受到信息信号泄漏造成的安全威胁。物理层安全技术是传统加密的有效补充解决方案，具有增强毫米波通信安全性的潜力，其有效性近年来得到了广泛的研究。保证传输安全的有效方法是削弱窃听者的窃听能力，例如将人工噪声(AN)注入合法信道的零空间或获得外部中继的帮助，提供干扰信号以迷惑窃听者。外部中继方案利用了阻塞效应并得出结论，协作干扰提高了安全性。但外部中继同时带来了信任和难以同步的问题。因此，全双工干扰接收机方案可以解决这些问题。微波通信的全双工干扰接收机安全传输方案已被广泛研究，但由于毫米波信道的不同特性，研究结果不能直接应用于毫米波通信。在毫米波系统中采用全双工通信具有使频谱效率翻倍的巨大潜力，因为传输和接收发生在相同的时间或频率资源中。这些激发了本发明对毫米波全双工安全传输系统的研究。

在设计安全传输方案时，仍然存在以下各种挑战。一方面，毫米波信道由于其稀疏的散射特性，因此分析起来很复杂。另一方面，毫米波全双工安全通信由于毫米波频率的固有衰减特性而受到极高的传播损耗。对于路径损耗缓解，本发明选择了混合模拟-数字波束成形结构来接近数字波束成形技术的性能，这可以有效避免专用射频链带来的高成本和硬件复杂性。此外，全双工通信由于同时传输中的信号泄漏，通信遭受严重的自干扰。一种有效的自干扰消除技术可以使节点工作在全双工模式下，在相同的频段发射和接收，具有较少的干扰限制。

在本发明中，本发明提出了一种带有全双工干扰接收器的安全传输方案，用于在窃听通道的瞬时信道状态信息可用或不可用时减轻自干扰的毫米波通信。本发明考虑离散角域通道以促进理论分析。最后，采用模数混合波束形成策略，在源端和目的端联合设计安全传输参数，通过求解优化问题获得最大的保密吞吐量，实现安全性能提升。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明包括了毫米波全双工MIMO通信系统的物理层安全性能，其中全双工接收器在接收端发射干扰信号来干扰窃听者。保密性能指标是保密速率和保密吞吐量。

MIMO场景下，当全局信道状态信息可用时，本发明推导出了保密速率的封闭表达式。接着想要最大化保密速率，本发明通过在源和目的地联合设计波束形成得到。当只有部分信道状态信息可用时，联合优化保密中断概率约束和功率分配比，本发明可以进一步优化保密性能。本发明推导出干扰信号的最佳混合波束形成矩阵是秩为1的矩阵。仿真结果表明，即使结合到残余自干扰，本发明设计的带有FD干扰接收机的保密传输方案也优于传统的半双工方法，由于充分设计了干扰信号的波束形成，多天线全双工毫米波系统的保密性能不再受自干扰限制。最后，本发明可以得出，若发射功率固定，存在功率分配最优值，以最大化保密速率；对于最大化保密吞吐量问题，则存在保密中断概率约束和功率分配比的最优组合。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

毫米波信道由于稀疏、散射和衰减严重等特性，建模较为复杂。目前对于毫米波全双工的研究多集中在关于毫米波频段自干扰的消除，少有关于毫米波全双工系统中安全传输问题的研究。鉴于研究空白和结合毫米波和全双工技术带来的好处，本发明有动机对毫米波全双工系统中的安全传输进行研究。

(2)本发明的技术方案克服了技术偏见：

针对全双工中继发射干扰信号方案带来的众所周知的安全信任问题，本发明提出了使用全双工干扰接收机发射干扰信号从而避免外部中继的信任问题。

涉及毫米波通信系统时，传统的全数字波束形成技术是不适用的，因为它们要求每个天线单元配备一个单独的射频链路，在硬件成本和功耗上都难以实现，因此本发明使用混合波束形成来逼近传统数字波束形成的性能，并在硬件成本和功耗实现可以接受。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有全双工接收端的系统模型原理图。其中，D接收来自S的机密信号，同时向E发送干扰信号。

图2是本发明实施例提供的多天线情况下功率分配比对保密率的影响图。

图3是本发明实施例提供的自干扰消除系数ρ对保密率的影响图。

图4是本发明实施例提供的多天线情况下不同(α,∈)对以及总传输功率对保密吞吐量的影响图。其中，图(4a)为保密吞吐量τ与∈的关系图；图(4b)为中保密吞吐量τ和P的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种安全传输方案，其中全双工接收器依靠混合波束形成在毫米波频段产生干扰信号。通过设计发射和接收波束形成矩阵和干扰信号矩阵，本发明可以降低窃听者的接收质量。结合到毫米波的特定传播特征，本发明通过基于空间可解析路径的离散角域模型来近似毫米波信道。结合到性能分析中的残余自干扰，本发明利用近场和远场分量的组合来表征自干扰信道，并引入参数ρ来描述自干扰抑制程度。

本发明对所提出方案的保密性能进行了详细分析。具体来说，当完美CSI可用时，得到了多天线接收机的保密速率的封闭表达式。此外，本发明针对保密速率优化了功率分配比。仿真结果表明，所提出的全双工保密传输方案在保密性增强方面比半双工方法更具优势。在只有窃听信道的统计分布信息可用的情况下，分析多天线全双工接收机的保密性能。在保密速率的基础上，得到了多天线情况下的保密吞吐量的封闭表达式。仿真结果表明，所提出的全双工保密传输方案在保密增强方面比半双工方法有更大的优势。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明将全双工技术应用到毫米波系统，采用离散角域毫米波信道模型，建立了基于混合波束形成结构的MIMO毫米波窃听模型，从毫米波特性出发采用物理层安全技术，降低全双工操作自干扰同时提升系统安全性能。

已知CSI时，构造最大化保密速率的优化问题，并推出保密速率封闭表达式；未知CSI时，推出保密速率、保密吞吐量表达式。并联合优化发送与接收波束形成矩阵，设计干扰信号波束形成矩阵，对其进行功率分配优化以及相应的混合波束形成设计。

证明了多天线场景下系统保密性能不再受自干扰限制；加上毫米波系统混合波束形成设计可以接近全数字波束形成的性能。因此毫米波大型MIMO场景下，全双工接收机节点发射干扰方案的应用可以有效提高保密性能，是可行的。

实施例

系统模型

本发明结合一个毫米波系统，它由具有N_s个天线的源S、其目的地D和窃听者E组成。从S传输的机密信号可能被单天线E窃听。D工作在全双工模式下，并且其天线分为N_r个接收天线和N_t个发射天线并且N_r,N_t＞1。

A：信道模型

为了反映毫米波信道的稀疏散射特性，本发明采用基于射线簇的信道模型，其中包含N_c个簇，每个簇有N_ray个路径。毫米波信道矩阵可以表示为

其中γ是平均路径损失，

是

簇中

路径的复增益。

和

表示

的出发方位角(AOD，Angle of Departure)和

的到达方位角(AOA，Angle ofArrival)的归一化阵列响应，其中

和

使用均匀线性阵列，阵列响应向量由下式给出

其中N是阵列天线的数量，λ是波长，d是天线间距，ψ是到达角(AOA)或出发角(AOD)。本发明结合基于射线簇信道模型的离散角域信道模型，可以将其表示为空间可分辨的路径，以方便理论分析。结合到阵列大小受限系统的有限角分辨率特性，本发明可以使用

的离散角域，通过

的固定间距对角域进行采样。因此，信道可以由空间正交基表示为

其中

传输信号通过正交基分解为沿不同物理方向传输的多径，分辨率为

因此，S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型可以分别写为

L_ij表示不同连接空间可解析路径的数量，其中i∈{s,d},j∈{d,e}。D和E可能共享多个可解析路径，本发明将其数量设置为L_c。G_ij(g_ij)是复增益矩阵(向量)，其元素是可解析路径的增益g_ij。物理路径分散在M个非重叠角域上，并且对于每个角域，都有一个相关的阵列响应。如果角域中存在物理路径，g_ij是该域内可解析路径的复增益，

否则，g_ij＝0。

如图1所示，本发明实施例提供的具有全双工接收端的系统模型(网络配置)原理图。D接收来自S的机密信号，同时向E发送干扰信号。

在传统MIMO通信系统中，生成的基带信号都需要通过DAC，接收的信号都需要通过ADC，而在毫米波MIMO架构中，在每个天线阵列的输出端配备DAC会导致高功耗，这种结构无法实现。

考虑一组要通过MIMO信道的数据流，将这些数据流表示为s。需要对这些数据信号进行波束形成，以便将天线波束引向接收器模块。如上所述，该波束形成任务包括数字和模拟部分。除功耗外，数字部分不会对设计施加任何限制，但设计模拟部分必须考虑由收发器中存在的电子设备施加的硬件限制。

图1所示的毫米波系统，具有N_s个天线的发射机将数据流传送到具有N_r个天线的接收机，发射机配备有

发射链，使得

该硬件架构使发射机能够使用其

个发送链路应用

基带波束形成器F_BB，然后使用模拟电路应用

维RF波束形成器F_RF。F_RF用模拟移相器实现。通过归一化F_RF使得‖F_RFf_BB‖²＝1来强制执行发射机的总功率约束。在基带波束形成器上没有其他与硬件相关的约束。接着，经过信道后，接收机采用

射频链路和模拟移相器对接收信号进行处理，得到处理后的信号。

与此同时，全双工干扰接收机也通过

射频链路和模拟移相器对干扰信号进行波束形成处理，减轻自干扰的同时尽可能恶化窃听信道，从而提高系统的安全性能。

假设D工作在全双工模式，接收源信号的同时发射干扰信号来迷惑E，结果E的链路质量会变差。在D的接收天线和发射天线之间会有一个环路H_dd。环路H_dd由两个分量组成，它们包括近场(NF)和远场(FF)。近场分量是通过发射和接收线性阵列的直接路径，而远场干扰是由附近簇的反射引起的。因为近场分量与远场范围条件不匹配，本发明结合球形传播模型。n^th接收天线和m^th发射天线之间的路径建模为

其中η是功率归一化的常数，

r_mn是发射天线阵列的m^th元素与接收天线阵列的n^th元素之间的距离。为了便于表示，本发明使用发射机/接收机来表示发射/接收阵列。与近场分量相比，反射路径要长得多，一般满足远场范围条件。因此，反射路径组件可以采用与(4)中引入的毫米波通信信道相同的模型，可以写成

通过干扰消除技术，可以将自干扰降低到可接受的程度。为了量化自干扰抑制的效果，本发明引入了变量ρ和0≤ρ≤1。当ρ＝0时，是指理想的情况，即没有自干扰。

自干扰消除后，最终的自干扰信道可以改写为

H_si＝ρH_dd＝ρ(H_NF+H_FF) (7)

其中H_NF表示近场分量。H_NF的m^th行n^th列在(5)中定义。

B.问题表述

本发明假设S配备了多个天线，即N_s＞1。在不同的场景下，D配置多个发射和接收天线，这意味着N_r,N_t＞1。

传统的波束形成技术(数字波束形成)可以达到满意的效果，但需要专用的射频(RF)链，代价是高功耗和成本。本发明采用了混合模拟和数字波束形成天线结构，它由移相器和基带处理器组成。本发明假设RF链的数量为

由于一次只有一个数据流要传输，

满足

利用S和D处的波束形成，D和E处的接收信号可以表示为

其中s是一维消息信号功率限制为

z是干扰信号并且

F_RF

和f_BB对应分别是射频模拟和数字基带波束形成矩阵并且有

Q_RF,Q_BB分别是传输干扰信号的射频模拟和数字基带波束形成矩阵并且有

W_RF,w_BB是D处的接收端波束形成组合矩阵并且有

和

前者是模拟的，后者是数字的。

和

是D和E处的高斯噪声。

C.性能指标

本发明将D和E的信道容量分别表示为C_d和C_e，可以表示为

结合到信道容量，本发明选择保密速率作为性能指标，表示为

此外，本发明将保密中断概率定义为

其中R_t表示码字的实际传输速率，保密速率R_s表示嵌入式保密消息传输的速率。

本发明将P_so的约束表示为∈，即P_so≤∈。

为了表示整个传输过程中的保密性能，本发明进一步选择保密吞吐量作为性能指标，并将其表征为τ，

τ＝(1-∈)R_s (14)

下面结合传输方案对本发明的技术方案作进一步描述。

传输方案

机密信号在S处以功率p_s传输。结合S处的功率限制P_s。此外，在S和D的发射机上也存在联合功率约束P，本发明用因子α来描述S和D之间的功率分配。本发明有p_s＝αP，p_d是分配给D的发射机发送的干扰信号的功率，p_d＝(1-α)P。在本发明的方案中中，本发明假设接收机有多个接收天线和多个发射天线，分别结合全局CSI已知和只有部分CSI已知的情况。通过设计发射、接收和干扰波束形成以及联合优化参数来最大化保密吞吐量τ。

A.全局CSI已知

本发明假设N_s＞1并且N_r＝N_t＞1。除了联合设计发射和接收波束形成矩阵外，本发明的目标是通过生成广义特征值方法来设计干扰信号波束形成，因为D处的发射器部署有多个天线。然后本发明优化功率分配比以实现最大保密速率。对于自干扰信道，近场分量将通过波束形成技术大大减弱。因此，本发明在干扰波束形成设计中强调毫米波自干扰信道的远场分量，即H_dd＝H_FF。

保密速率最大化问题可以表述为：

其中

和

表示W_RF和Q_RF可行列集合,它们的每个元素都是

和

的阵列响应向量.本发明归一化w_BB以满足功率约束‖W_RFw_BB‖²＝1因为本发明一次接收一个数据流。本发明也应该归一化Q_BB来满足功率约束‖Q_RFQ_BB‖²＝N_J,因为本发明发射了N_J个干扰信号数据流。

通过主信道的奇异值分解(SVD)，本发明可以得到H_sd＝V_LDV_R,其中D是一个对角矩阵，其主对角线上的元素是降序奇异值，

和

都是酉矩阵。本发明取最大奇异值对应的V_LandV_R的第一列分别为f_optandw_opt。本发明可以通过一种基于OMP的方法解决此场景的混合波束形成设计问题。

使用广义特征值法进行干扰波束形成设计，本发明可以在最大程度上减轻D处自干扰造成的影响的同时，增强E处接收到的干扰信号的能量。最优波束形成向量可以写为

算法Algorithm 1 MIMO场景下联合设计混合波束形成与参数优化算法

相应的混合波束形成设计和功率分配的优化通过上述算法实现。

B.仅部分CSI已知

在本发明中，本发明结合多天线接收器，其中N_s＞1和N_r＝N_t＞1。在这种情况下，本发明的目标是最大化保密吞吐量，问题可以表述为：

其中

和

表示W_RF和Q_RF可行列集合,它们的每个元素都是N_r×N_cN_ray矩阵

和N_t×N_cN_ray矩阵

的阵列响应向量.本发明归一化w_BB以满足功率约束‖W_RFw_BB‖²＝1因为本发明一次接收一个数据流。本发明也应该归一化Q_BB来满足功率约束‖Q_RFQ_BB‖²＝N_J,因为本发明发射了N_J个干扰信号数据流。本发明先从发射和接收波束形成的联合设计开始。然后本发明设计得到了干扰波束形成矩阵Q_RFQ_BB，最后通过联合优化α和∈得到τ最大值。第一步，本发明通过主信道的奇异值分解共同设计发射和接收波束形成向量,f_opt和w_opt.分解后,本发明把最大奇异值对应的U_s的列向量和U_r的行向量分别表示为u_sm和u_rm。由于毫米波信道的描述非常接近奇异值分解的表达式，并且信道矩阵U的列都是阵列响应向量，正好对应于模拟波束形成矩阵的结构，本发明有F_RF＝u_sm,f_BB＝1和W_RF＝u_rm,w_BB＝1。之后只剩下Q需要设计，本发明有一个有用的引理。

引理1：最大化保密速率的最优干扰波束形成矩阵应该是一个向量，可以表示为q＝Q_BBq_RF,N_J＝1。

证明：本发明设

保密速率最大化问题的最优解可以表示为X^*。如果rank(X^*)＝1成立,本发明可以得到想要的结论，如果rank(X^*)＞1,本发明可以设

本发明的目标是解决以下问题

X^*很明显是(18)的可行解.。接着，本发明用反证法证明X^*同样是上述问题的最优解.假设X₁是另一个解,本发明有

如果

这意味着对于保密速率最大化问题，X₁显然是比X^*更好的解，这与本发明假设X^*是最优解相矛盾.因此，X^*是(18)的唯一最优解。由于问题(18)是齐次二次约束二次规划(QCQP)，因此它具有rank-1解。因此，本发明可以确定rank-1最优解是X^*。根据定义，

是一个向量因此有N_J＝1.证明完成。

在保密性能方面，与单天线场景不同，系统不再受自干扰的限制，如以下定理所述。

定理1：当D有多个天线时，系统性能不受自干扰限制。

证明：通过迫零波束形成，本发明设置自干扰为

所以，保密速率可以被写为

在这种情况下，来自D的发射机的干扰信号不再对D的接收机造成干扰，但它仍然会降低E的通信质量，从而提高系统的保密速率。证明结束。

根据迫零准则，本发明选择U_t中的一些列形成矩阵

作为最优可行集合。干扰信号被注入到自干扰信道的零空间中，从而在没有多余自干扰的情况下恶化窃听信道的质量。然后本发明将D和E处的信噪比表示为

其中i and j分别对应u_rm和u_sm的索引。本发明定义Ω_c1＝Ω_s,m∩Ω_se,Ω_c2＝Ω_dd∩Ω_de和Ω_a1＝Ω_de\Ω_c2,

L_c1表示E和D相交的可解析路径的数量。为了简便起见，本发明表示

以及

此外，本发明定义

和

μ₃～Exp(1),μ₄～Gamma(L_de-L_c1,1)。根据引理1,本发明知道可行集合中只有一列代表q,因此L_de-L_c1在上式中取1以及μ₄～Exp(1).ξ_E的累积分布函数可以被表示为

根据P_so的定义，本发明可以推导出R_s的表达式，如以下引理所示。

引理2：R_s可以表示为

其中

表示

的逆函数。

证明：

由P_so的定义，结合已经给出的R_s和

的表达式，本发明有

从定义可以看出

是单调递增的，所以上式等价于

那么，上面的不等式可以写成

本发明取R_t为其最大值log₂(1+ξ_D)，R_s的表达式可以为

结合(20)式，上式可以写成引理2中的形式。证明完成。

将R_s代入(17)，最终可以得到τ的最大化问题的精确表达式为

其中

如(24)所示，τ与功率分配比率α和保密中断概率约束∈密切相关。直接计算(24)的一阶导数很难解决优化问题，因为存在一个反函数

和

都是单调递增的。基于此，本发明可以推导出每个α都存在一个最优∈，以最大化保密吞吐量。本发明可以在

的范围内均匀地设置α的值，然后计算每个预设α对应的∈，找到最优解。最后本发明计算每对(α,∈)的保密吞吐量，然后选择最优对(α^*,∈^*)。经过上述步骤，本发明将得出最优功率分配因子和相应的保密中断概率。

总之，本发明提出了一种辅助全双工干扰接收机的全双工毫米波通信系统的安全传输方案。分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立了毫米波MIMO链路的离散角域信道模型。根据信道特性，本发明在S和D处联合设计了混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异。本发明推导出了部分和全局CSI条件下的保密速率表达式和仅知道部分CSI时保密中断概率约束的保密吞吐量表达式。仿真结果表明，毫米波全双工干扰接收机方案在多天线场景下不再受自干扰限制。此外，本发明可以通过将功率分配比和保密中断概率约束调整为最佳值来获得最大保密速率或保密吞吐量。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明研究了全双工毫米波通信系统中的物理层安全性，提出了一个基于混合波束形成的毫米波全双工干扰接收机发射干扰信号，来提升系统安全性能的方案。其中FD接收器在目的地产生干扰信号以保护机密信息。选择保密率和保密吞吐量作为表征保密性能的指标。本发明分别在全局和部分信道状态信息(CSI)的可用性的情况下分析并导出了两种情况下的保密指标的封闭式表达式。具体来说，本发明在源端和目的端共同设计波束成形，以最大程度地提高保密性能。通过联合优化源端和目的端之间的功率分配比，以及保密中断概率约束，本发明可以进一步获得最大保密率和保密吞吐量。经过证明确定干扰信号的最佳混合波束成形矩阵是秩为1的矩阵。仿真结果表明，即使考虑到残余自干扰，本发明设计的带有FD干扰接收机的保密传输方案也优于传统的半双工方法。由于充分设计了干扰信号的波束形成，毫米波全双工系统的保密性不再受多天线情况下的自干扰约束。此外，本发明的结果还发现，在给定固定发射功率的情况下，始终存在功率分配比和保密中断概率约束的最优对，以最大化保密吞吐量。

模型中，本发明考虑了全双工操作带来的自干扰问题以及毫米波波束形成的硬件成本和功耗问题，并采用混合架构下的波束形成减轻自干扰信号同时平衡了系统性能和硬件成本、功耗。仿真结果表明，与半双工方法相比本发明提出的方法能显著提升系统的保密性能。

三、本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

仿真分析

本发明进行仿真模拟以验证本发明的理论分析并评估所提出的基于全双工干扰的传输方案的保密性能。模拟设置如下。S位于原点，D位于(d_D,0)。S和E之间的距离是r_SE＝100m，S和D之间的距离也是r_SD＝100m。路径损耗

其中r为单位为米的传输距离。对所有仿真本发明都设置N_s＝100.此外，噪声功率为固定的

出的功率约束为P_s＝α_maxP,α_max＝0.5表示S处的限制。

图2说明了多天线场景下功率分配比对保密速率的影响。其中P＝0dBm,ρ＝10^-9,

N_r＝100，N_t＝100。在全双工情况下，随着功率分配比的上升，保密速率逐渐攀升至最大值，随后突然下降。保密速率下降的原因是当α＝1时，所有的功率都分配给了S，D的接收机不发送干扰信号。但是，在半双工情况下不存在功率分配问题，因为当D工作在半双工模式时，所有能量都用于机密信号传输，并且没有备用功率用于干扰信号辐射。本发明观察到保密速率按照比例值单调增加，增加到拐点，本发明预设的功率约束S在单调范围内。因此，本发明将α作为后续模拟中最大保密速率的极限值0.5。经过本发明设计的发射和接收波束形成，在总功率相同的情况下，即使将部分功率分配给D，全双工方案的保密性能仍比半双工方案有显着提高。此外，本发明的混合波束形成设计仅使用8个射频链就可以有效地接近全数字波束形成方案的性能。

在图3中，本发明探讨了不同干扰消除系数对保密速率的详细影响(自干扰消除系数ρ对保密率的影响)。其中α＝0.5,P＝0dBm,

N_r＝100，N_t＝100。该图3表明，多天线全双工接收机的保密性能不会随着抵消系数的变化而改变。内在原因是可以通过多天线部署的有效波束形成设计来消除自干扰。半双工情况下的变化趋势相同，因为没有干扰信号发射与机密信号的接收共存，意味着没有干扰。在单天线情况下，保密速率会逐渐增长，并随着ρ的减少而趋于饱和。这意味着当自干扰被减轻到一定程度时，保密速率将不再受到干扰信号的影响并被最大化。此外，在这种情况下，本发明只使用了8个RF链来使混合波束形成的性能接近数字波束形成。

图4是本发明实施例提供的多天线情况下不同(α,∈)对以及总传输功率对保密吞吐量的影响，其中N_t＝100,N_r＝100,ρ＝10^-9,α＝0.5,

本发明分别在图(4a)保密吞吐量τ与∈的关系以及图(4b)中保密吞吐量τ和P的关系。很明显，τ与∈的变化趋势符合预期。当(α,∈)对中的α是固定的时，最大化τ的最优∈显然随给定功率P而变化。图(4b)说明了本发明总是可以设置一个最优的传输参数对，即(α^*,∈^*)，以在一定的发射功率约束下获得最大的保密吞吐量，为实际参数设置提供了宝贵的经验。为任何特定P设置最优∈，图(4b)中的红星标记曲线描绘了可实现的最大保密吞吐量τ首先上升并随着发射功率不断增加而逐渐饱和。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全双工MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工MIMO物理层安全传输方法包括：全双工接收器利用混合波束形成在毫米波频段产生的干扰信号；利用基于空间可解析路径的离散角域模型解析毫米波频段，以及利用近场和远场分量的组合表征产生的干扰信号，并结合自干扰抑制参数解析自干扰抑制程度。

2.如权利要求1所述的全双工MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，所述双工多天线物理层安全传输方法基于全双工毫米波通信系统进行信号安全传输，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MIMO链路的离散角域信道模型，在S和D处联合混合波束形成干扰信号矩阵，扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异，以及获取部分和全局CSI条件下的保密速率表达式和仅知道部分CSI时保密中断概率约束的保密吞吐量表达式；通过将功率分配比和保密中断概率约束将保密速率表达式和保密吞吐量表达式调整为最佳值获得最大保密速率或保密吞吐量。

3.如权利要求2所述的全双工MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工毫米波通信系统由具有N_s个天线的源S、目的地D和窃听者E组成；D工作在全双工模式下，全双工天线包括为N_r个接收天线和N_t个发射天线并且N_r,N_t＞1。

4.如权利要求2所述的全双工MIMO物理层安全传输方法，其特征在于，所述毫米波MIMO链路的离散角域信道模型包括S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型，分别为：