CN114827992A - 一种全双工miso物理层安全传输方法、系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于毫米波通信技术领域，公开了一种全双工MISO物理层安全传输方法、系统及应用，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局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。本发明提出了一种毫米波系统安全传输方案，在毫米波频段，全双工接收器产生干扰信号。本发明通过在发射端设计发射波束形成矩阵，可以降低窃听者的接收质量。仿真结果表明，本发明方法中的的全双工保密传输方案在在保密性能方面明显优于半双工方式。

Description

一种全双工MISO物理层安全传输方法、系统及应用

技术领域

本发明属于毫米波通信技术领域，尤其涉及一种全双工MISO(Multiple-InputSingle-Output，多发单收)物理层安全传输方法、系统及应用。

背景技术

目前，毫米波通信被认为是下一代无线通信系统的关键颠覆性技术。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。无线通信的天然开放性使其始终面临安全问题。目前，上层加密算法多用于实现无线通信安全。随着计算机计算能力的提高和大数据的发展，传统的基于密钥加密的安全技术面临越来越多的安全挑战。物理层安全作为最低的安全机制，其原理是通过信道的空间特性实现安全通信，包括协同干扰、波束赋形、人工噪声等技术，为无线通信安全提供了新的方向。

有人研究了毫米波通信中的物理层安全技术，利用毫米波信道的固有特性来削弱窃听者的窃听能力，例如将人工噪声传播到合法信道的零空间或利用外部中继提供干扰信号来迷惑窃听者。此外，还有人提出了一种利用阻塞效应的协作干扰选择方案，并得出结论，协作干扰提高了安全性。尽管这些努力可以在一定程度上帮助提高保密性能，但外部中继同时带来了信任问题和难以同步的问题。

全双工(FD)技术可以实现人工噪声从发射端到接收端的发射切换，为上述困境提供了有希望的解决方案。实现全双工接收器的一个主要障碍是由本地传输引起的自干扰(SI)。幸运的是，自干扰消除(SIC)技术提供了在接收器同时接收机密信号和传输干扰信号的好处，同时将自干扰抑制到可容忍的水平。具体来说，有研究人员提出了一种用于全双工接收器的信道训练方案，以减轻不可取消的自干扰，同时防止窃听者同时估计干扰信道。将毫米波技术与全双工技术结合，可以兼具大带宽和高频谱效率的双重优势。

微波全双工通信的保密传输已经有人进行了研究，但与低频信道相比，毫米波具有不同的传播特性。例如，毫米波信道在角域是稀疏的，分析起来较为复杂。另外，毫米波通信要遭受较高的路径损耗，需要使用大型天线阵列，结合波束形成，提高系统传输和保密性能。由于成本、能耗和复杂度等因素，本发明使用模拟数字混合波束形成来接近数字波束形成的性能。而由于毫米波系统中数模转换和模数转换工作部件高度非线性，毫米波全双工通信分析性能时仍需考虑自干扰影响。

目前，毫米波全双工的研究工作主要集中在自干扰消除和系统传输性能提高，并且没有进一步研究系统保密性能；并且由于物理层安全技术设计与毫米波通道的特殊性密切相关，亟需对毫米波全双工系统中的安全传输进行了研究。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统的基于密钥加密的安全技术面临越来越多的安全挑战，现有技术在外部中继同时带来了信任问题和难以同步的问题。

(2)由于毫米波系统中数模转换和模数转换工作部件高度非线性，毫米波全双工通信分析性能时仍需考虑自干扰影响。

(3)目前毫米波全双工的研究工作主要集中在自干扰消除和系统传输性能提高，并且没有进一步研究系统保密性能。

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MISO物理层安全传输方法、系统及应用，尤其涉及一种基于毫米波MISO通信系统的全双工单天线物理层安全传输方法、系统及应用。

本发明是这样实现的，一种全双工MISO物理层安全传输方法，所述全双工MISO物理层安全传输方法包括：分析全双工毫米波MISO通信系统中的物理层安全性能，其中全双工接收器在目的地产生干扰信号以保护机密消息；选择保密速率和保密吞吐量作为保密性能指标；在全局信道状态信息可用的情况下分析并导出单天线情况下的保密速率的封闭式表达式；在源和目的地共同设计波束形成，通过联合优化功率分配比获得最大保密速率。

进一步，所述MISO单天线物理层安全传输方法包括以下步骤：

步骤一，分别在完美CSI(channel state information，信道状态信息)和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

本步骤中两种关于CSI的假设，充分考虑到了现实场景中各种可能的情况。毫米波信道建模较为复杂，为了便于数学分析，使用离散角域模型可以很好地平衡理论分析复杂度和贴合真实的信道。

步骤二，根据信道特性，在S(source，发射端)和D(destination，目标接收端)处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

本步骤中通过混合架构进行发端波束形成，可以用较少的射频链路来逼近数字波束形成的性能，可以显著降低硬件成本和功耗，同时达到较好的传输性能。

步骤三，确定性能指标，推导出部分和全局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。

本步骤选择不同保密性能指标，可以更好地表征不同场景下的保密性能。例如窃听者瞬时CSI未知时，通过保密速率推出保密吞吐量的表达式，可以很好地表示一段时间内的保密性能。

进一步，所述步骤一中的分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型包括：

当毫米波通信系统中具有N_s个天线的源S将机密信息传输给目的地D并可能被窃听者E(eavesdropper，窃听者)窃听；D为全双工模式工作，并被分为N_r个接收天线和N_t个发射天线，N_r,N_t＝1。

采用基于射线簇的信道模型，信道包括N_c个簇，每个簇包含N_ray个路径。毫米波的信道矩阵表示为：

其中，γ是平均路径损耗，

是

簇中

路径的复增益。

和

表示

的出发方位角AOD(Angle ofDeparture，出发方位角)和

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

和

采用均匀线性阵列，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。考虑基于射线簇信道模型的离散角域信道模型，表示为空间可分辨的路径。考虑到阵列大小受限系统的有限角分辨率特性，使用

的离散角域，以

的固定间距对角域进行采样。信道由空间正交基表示，定义为：

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

S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型分别写为：

其中，L_ij表示不同连接空间可解析路径的数量，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)是复增益矩阵或向量，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；若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。

当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有一个环路H_dd。环路H_dd由两个分量组成，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。因为近场分量与远场范围条件不匹配，考虑球形传播模型；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；使用发射机/接收机表示发射/接收阵列；反射路径组件采用与引入的毫米波通信信道相同的模型，写成：

引入变量ρ和0≤ρ≤1；当ρ＝0时，是指理想的情况，没有自干扰。

自干扰消除后，最终的自干扰信道改写为：

H_si＝ρH_dd＝ρ(H_NF+H_FF),

其中，H_NF表示近场分量。

进一步，所述步骤二中的根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异包括：

当假设S配备多个天线，N_s＞1。D配置一个发射和一个接收天线，N_r,N_t＝1。

采用混合模拟和数字波束形成天线结构，由移相器和基带处理器组成；当RF链的数量为

K∈{s,r,t}，

满足

利用S和D处的波束形成，D和E处的接收信号表示为：

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

和

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

和

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。

进一步，所述步骤三中的确定性能指标包括：

将D和E的信道容量分别表示为C_d和C_e，表示为：

考虑到信道容量，选择保密速率作为性能指标，表示为：

进一步，所述步骤三中的推导出部分和全局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包括：

机密信号在S处以功率p_s传输，考虑S处的功率限制P_s；在S和D的发射机上存在联合功率约束P，用因子α描述S和D之间的功率分配，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；假设接收机有一个接收天线和一个发射天线，分别分析全局CSI已知和只有部分CSI已知的情况。

a.全局CSI已知

多输入单输出MISO的情况中只有S配备多根天线，D配备一根接收源信号的接收天线和一根发射干扰信号的发射天线。保密速率最大化问题等价于：

其中，

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量；‖F_RFf_BB‖²＝1表示归一化f_BB以满足总功率约束；通过生成广义特征值方法优化发射波束形成后，设计相应的混合波束形成并优化功率分配以最大化保密速率。

在波束形成设计之前，确定ρ的取值范围。

引理1：实现正保密速率，如果ρ满足：

证明：见附录A

通过利用窃听信道的信息，广义特征值波束形成方案在D和E之间存在最显着信号质量差异的信道中传输信号，导致D处信号功率的增加和E处的功率抑制。波束形成向量写成：

其中，χ_max(A₁,B₁)是广义特征向量，对应于矩阵对(A₁,B₁)的最大广义特征值。

在S处联合设计混合结构的基带波束形成向量和RF波束形成矩阵，同时考虑功率分配比。通过分解联合优化问题，通过最小化F_RFf_BB和无约束最优波束形成矩阵f_opt之间的差来获得联合设计；使用基于正交匹配追踪OMP原理的算法波束形成解决方案解决；在矩阵A_s中找到向量

最优预编码器在该向量上具有最大的投影，并且选择的向量被添加到F_RF作为一个元素；在找到构成F_RF的主导向量后，得到f_BB的最小二乘解；重复此过程，直到所有

波束形成向量被选择；在

次迭代后，获得最优的F_RF和f_BB来最小化‖f_opt-F_RFf_BB‖。

定理一：最优α^*＝min{α°,α_max}，

是由于S处的功率约束，分配因子的最大值。通过求解优化问题，求出α°的值为：

其中，

B＝2(x₂x₃-x₁x₄)(x₂+1)(x₄+1)，C＝x₁(x₂+1)(x₄+1)²-x₃(x₄+1)(x₂+1)²。x₁,x₂,x₃,x₄的定义以及条件1-9的建立条件在附录B中提供。

证明：见附录B

b.仅部分CSI已知

MISO情况，其中N_s＞1,N_r＝1，以及N_t＝1用于传输干扰信号。利用保密中断概率的概念，推导R_s的表达式，建立新的优化问题，利用最大化保密吞吐量τ衡量有效保密性能。将问题表述为：

其中，

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量；‖F_RFf_BB‖²＝1表示归一化f_BB以满足总功率约束；目标是确定混合波束形成矩阵F_RFf_BB的设计；通过联合优化α和∈，最大化τ，在S处应用最大比传输MRT波束形成

使用基于OMP的算法分解得到混合结构的基带波束形成向量和射频波束形成矩阵。

推导出D和E处的信干噪比SINR表达式，记为ξ_D和ξ_E：

其中，表示

子矩阵

由函数

从B中提取元素生成；Ω_k和Ω_l包含与提取的行和列对应的所有索引；

描述从B中选择的列组成的子矩阵，集合Ω_l包含所提取列的所有索引，以及Ω代表B的所有行索引；而对于向量，函数

生成一个从b中提取的向量；

和

和

定义

和

与窃听信道的统计分布有关，其中μ₁～Exp(1)，μ₂～Exp(1)。

ξ_E的累积分布函数CDF表示为：

根据P_so的定义，推导出R_s的表达式：

其中，

表示

的逆函数。

得到τ的最大化问题的精确表达式为：

其中，

τ与功率分配比率α和保密中断概率约束∈密切相关。

每个α均存在一个最优∈，以最大化保密吞吐量。∈^*是以下方程的唯一解：

其中，

在

的范围内均匀地设置α的值，计算每个预设α对应的∈，计算每对(α,∈)的保密吞吐量，选择最优对(α^*,∈^*)，得出最优功率分配因子和相应的保密中断概率，进而得出最优功率分配因子和相应的保密中断概率。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的全双工MISO物理层安全传输方法的安全传输系统，所述全双工MISO物理层安全传输系统包括：

信道模型构建模块，用于分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

形成矩阵设计模块，用于根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

性能指标确定模块，用于确定性能指标，推导出部分和全局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。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局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。

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如下步骤：

分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局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。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的全双工MISO物理层安全传输系统。

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：

本发明属于毫米波通信技术领域，本发明主要研究了全双工毫米波MISO通信系统中的物理层安全性能，其中全双工接收器在目的地产生干扰信号以保护机密消息，以及本发明选择保密速率和保密吞吐量作为保密性能指标。

本发明在全局信道状态信息可用的情况下分析并导出了单天线情况下的保密速率的封闭式表达式。具体来说，本发明在源和目的地共同设计波束形成，以最大程度地提高保密速率；通过联合优化功率分配比(在源和目的地之间)，本发明可以进一步获得最大保密速率。仿真结果表明，本发明设计的带有全双工干扰接收机的保密传输方案优于传统的半双工方案。此外，本发明的结果还发现，在给定固定发射功率的情况下，始终存在功率分配的最优值，以最大化保密速率；或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。

本发明研究了在毫米波系统中使用全双工干扰接收器的安全传输方案。本发明采用数字/模拟混合波束形成结构来接近全数字波束形成的性能。本发明的方法需要在源设计波束形成矩阵，优化传输参数以确保最大的保密速率。

结合毫米波的特殊传播特性，本发明采用基于空间可解析路径的离散角域模型对毫米波信道进行建模。而对于全双工系统的自干扰，本发明采用近场加远场分量对自干扰信号进行建模。本发明并没有假设完全的自干扰消除，而是通过一个参数ρ来对自干扰消除的程度进行描述。

关于方案的保密性能，本发明对其进行了详细分析。当全局CSI已知时，推导了保密速率的闭式表达式，并针对保密速率优化了功率分配比，推导出了单天线接收机情况下最优功率分配比的封闭表达式。当部分CSI已知时，利用保密中断概率限制得到了保密吞吐量的封闭表达式得到了单天线情况下的保密吞吐量的封闭表达式，以及为在单天线场景中实现最大保密吞吐量所需的最优保密中断概率约束提供了解决方案。

本发明提出了一种基于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。本发明分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立了毫米波MISO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单天线场景下，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。

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：

本发明提出了一种毫米波系统安全传输方案，在毫米波频段，全双工接收器产生干扰信号。本发明通过在发射端设计发射波束形成矩阵，可以降低窃听者的接收质量。仿真结果表明，本发明方法中的全双工保密传输方案在在保密性能方面明显优于半双工方式。

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)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：

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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的全双工MISO物理层安全传输方法流程图。

图2是本发明实施例提供的全双工MISO物理层安全传输系统结构框图。

图3是本发明实施例提供的具有全双工接收端的系统模型示意图；其中，D接收来自S的机密信号，同时向E发送干扰信号。

图4是本发明实施例提供的单天线情况下的保密率与总发射功率示意图，其中α＝0.5，ρ＝10^-9，

图5是本发明实施例提供的和ρ对单天线情况下保密率的影响示意图，其中α＝0.5，P＝0dBm。

图6是本发明实施例提供的单天线情况下L_c对保密速率的影响示意图，其中α＝0.5，P＝0dBm，ρ＝10^-9，

图7是本发明实施例提供的单天线情况下保密中断概率约束∈与功率分配比α对保密吞吐量τ的影响示意图，其中P＝-10dBm，ρ＝10^-9，

图中：1、信道模型构建模块；2、形成矩阵设计模块；3、性能指标确定模块。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全双工MISO物理层安全传输方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的全双工MISO物理层安全传输方法包括以下步骤：

S101，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

S102，根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

S103，推导出部分和全局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。

如图2所示，本发明实施例提供的全双工单MISO物理层安全传输系统包括：

信道模型构建模块1，用于分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

形成矩阵设计模块2，用于根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

性能指标确定模块3，用于确定性能指标，推导出部分和全局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。

本发明研究了在毫米波系统中使用全双工干扰接收器的安全传输方案。本发明采用数字/模拟混合波束形成结构来接近全数字波束形成的性能。本发明的方法需要在源设计波束形成矩阵，优化传输参数以确保最大的保密速率。

系统模型

假设一个毫米波通信系统，其中具有N_s个天线的源S将机密信息传输给目的地D并可能被窃听者E窃听。D为全双工模式工作，并被分为N_r个接收天线和N_t个发射天线(N_r,N_t＝1)。

A.信道模型

由于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，信道包括N_c个簇，每个簇包含N_ray个路径。毫米波的信道矩阵可以表示为：

其中γ是平均路径损耗，

是

簇中

路径的复增益。

和

表示

的出发方位角(AOD)和

的到达方位角(AOA)的归一化阵列响应，其中

和

采用均匀线性阵列，因此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)。考虑基于射线簇信道模型的离散角域信道模型，为了便于理论分析，所以可将其表示为空间可分辨的路径。考虑到阵列大小受限系统的有限角分辨率特性，使用

的离散角域，以

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，定义为：

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。若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。

本发明考虑如图3所示的网络配置。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，本发明考虑球形传播模型。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。D配置一个发射和一个接收天线，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

K∈{s,r,t}。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

和

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

和

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：

考虑到信道容量，本发明选择保密速率作为性能指标，表示为：

D.传输方案

机密信号在S处以功率p_s传输。考虑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，本发明假设接收机有一个接收天线和一个发射天线，分别研究全局CSI已知和只有部分CSI已知的情况。

a.全局CSI已知

本发明考虑多输入单输出(MISO)的情况，其中只有S配备了多根天线，而D配备了一根接收源信号的接收天线和一根发射干扰信号的发射天线。从(12)，保密速率最大化问题等价于：

其中

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量。‖F_RFf_BB‖²＝1表示本发明应该归一化f_BB以满足总功率约束，因为本发明一次传输一个数据流。本发明首先通过生成广义特征值方法来优化发射波束形成，然后设计相应的混合波束形成并优化功率分配以最大化保密速率。

在波束形成设计之前，本发明首先确定ρ的取值范围以实现正保密速率，因为保密速率受ρ的影响。

引理1：可以实现正保密速率，如果ρ满足：

证明：见附录A。

由于单天线场景，波束形成技术不能应用于D，因此本发明考虑一种广义特征值波束形成方案。通过充分利用窃听信道的信息，广义特征值波束形成方案可以有效地在D和E之间存在最显着信号质量差异的信道中传输信号，从而导致D处信号功率的增加和E处的功率抑制。波束形成向量可以写成：

其中χ_max(A₁,B₁)是广义特征向量，对应于矩阵对(A₁,B₁)的最大广义特征值。

然后本发明的目标是在S处联合设计混合结构的基带波束形成向量和RF波束形成矩阵，同时考虑功率分配比。通过分解联合优化问题，可以通过最小化F_RFf_BB和无约束最优波束形成矩阵f_opt之间的差来获得联合设计。本发明使用基于正交匹配追踪(OMP)原理的算法波束形成解决方案来解决它。首先，本发明在矩阵A_s中找到向量

最优预编码器在该向量上具有最大的投影，并且选择的向量被添加到F_RF作为它的一个元素。接下来，在找到构成F_RF的主导向量后，得到f_BB的最小二乘解。重复此过程，直到所有

波束形成向量被选择。在

次迭代后，可以获得最优的F_RF和f_BB来最小化‖f_opt-F_RFf_BB‖。此外，通过下面的定理可以找到最优的功率分配因子。

定理一：最优α^*＝min{α°,α_max}，

是由于S处的功率约束，分配因子的最大值。通过求解优化问题，可以求出α°的值为：

其中

B＝2(x₂x₃-x₁x₄)(x₂+1)(x₄+1)，C＝x₁(x₂+1)(x₄+1)²-x₃(x₄+1)(x₂+1)²，x₁,x₂,x₃,x₄的定义以及条件1-9的建立条件在附录B中提供。

证明：见附录B。

算法如下：

如上所述，可以通过上述算法实现联合混合波束形成设计和参数优化，从而最大化保密速率。

b.仅部分CSI已知

MISO情况，其中N_s＞1,N_r＝1，以及N_t＝1用于传输干扰信号。利用保密中断概率的概念，本发明推导了R_s的表达式，建立了一个新的优化问题，即最大化保密吞吐量τ来衡量有效保密性能。本发明可以将问题表述为：

其中

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量。‖F_RFf_BB‖²＝1表示本发明应该归一化f_BB以满足总功率约束，因为本发明一次传输一个数据流。本发明的主要目标是确定混合波束形成矩阵F_RFf_BB的设计。随后，通过联合优化α和∈，本发明可以最大化τ。本发明在S处应用最大比传输(MRT)波束形成

由于MRT已经完成了f_opt的波束形成设计，因此本发明可以使用基于OMP的算法分解得到混合结构的基带波束形成向量和射频波束形成矩阵。

为了得到τ的精确表达式，本发明首先推导出D和E处的信干噪比(SINR)表达式，记为ξ_D和ξ_E：

本发明表示

子矩阵

由函数

从B中提取元素生成。Ω_k和Ω_l包含与提取的行和列对应的所有索引。

描述了一个从B中选择的列组成的子矩阵，集合Ω_l包含所提取列的所有索引，以及Ω代表B的所有行索引。而对于向量，函数

生成一个从b中提取的向量。因此，在上面的等式中本发明有

和

为简洁起见，本发明表示：

和

此外，本发明定义

和

这与窃听信道的统计分布有关，其中μ₁～Exp(1)，μ₂～Exp(1)。ξ_E的累积分布函数(CDF)可以表示为：

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：见附录C。

将(21)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(22)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(22)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，本发明可以推导出以下定理。

定理2：每个α都存在一个最优∈，以最大化保密吞吐量。∈^*是以下方程的唯一解：

其中，

证明：见附录D。

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∈，找到定理2中(23)式的解。最后本发明用(17)和(21)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。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。

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MISO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单天线场景下，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。

附录

附录A：引理1证明

为了实现正保密速率，D处的SNR必须大于E处的，这等价于

设

正保密速率成立只有当

这个式子也可以写为

如果不满足上述条件，在主信道的通信质量优于窃听信道的情况下，仍然可以达到正保密速率。但由于在这种情况下干扰信号不再有意义，本发明假设条件保持不变。证明完成。

附录B：定理1证明：

为了简单起见，本发明定义

(13)式可以被重新表示为

通过对此式求导，本发明得到

然后，将其值设为零，可以得到以下等式

Aα²+Bα+C＝0,

其中，

B＝2(x₂x₃-x₁x₄)(x₂+1)(x₄+1),C＝x₁(x₂+1)(x₄+1)²-x₃(x₄+1)(x₂+1)²，并且此方程的两个解满足

从引理1可知，当条件

成立，总是满足x₂＜x₄。关于x₁和x₃的不同取值，本发明将在后面的内容中讨论。

1)x₁≥x₃.在这种情况下,B＜0,C＞0,φ'(α＝0)＞0,φ'(α＝1)＜0。当A＞0(condition 1),本发明得到α₁+α₂＞0和α₁α₂＞0,因此，最优功率分配因子

当A＜0(condition 2),本发明得到α₁+α₂＜0和α₁α₂＜0,最优功率分配因子

2)x₁＜x₃.在这种情况下，较为复杂。当α₁,α₂＞0,如果α₁,α₂∈[0,1],α°＝α₁若A＞0(condition 3)以及α°＝α₂若A＜0(condition 4)。如果

(condition 5),α°＝0,只有当α₁∈[0,1](condition 6),α°＝1。当只有α₂＞0,若α₂∈[0,1]和A＜0同时满足(condition 7),α°＝α₂；否则,α°＝0若φ(0)＞φ(1)(condition 8)或＝1若φ(0)＜φ(1)(condition 9)。

上面得到的最优功率分配因子都是在不受限制的情况下。然而，在本发明的方案中，本发明在发射机处有功率限制

因此，最优功率分配因子满足α＝min{α°,α_max}。证明完成。

附录C：引理2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(18)式，上式可以写成引理2中的(21)式的形式。证明完成。

附录D：定理2证明：

本发明可以推导出τ(∈)的导数为

是一个单调递增函数。根据反函数的特点，

也是单调递增函数。所以

随着∈单调递减，等价于

另外，本发明可以推导出

和

最后，本发明可以得到：

在∈的取值范围内，ζ(∈)随着∈的值增加而减少。本发明可以得出结论，ζ(∈)在[0,1]之间有一个唯一的零点。即，

简化后，本发明得到下面的等式：

根据反函数求导原则，本发明得到

因此，本发明可以得到定理2中(23)的形式。证明完成。

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。

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。

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。

三、实施例相关效果的证据。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。

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

S出的功率约束为P_s＝α_maxP，α_max＝0.5表示S处的限制。

图4显示了三种不同混合传输方案下的保密速率比较，即半双工、全双工最大比传输波束形成和全双工特征波束形成。可以观察到，全双工传输方案通常优于半双工传输方案。特征波束形成全双工方案具有优越性，因为它充分利用了窃听信道的信息，扩大了合法目的地和窃听者的接收信号质量差异。因此，保密速率的曲线都随着发射功率的增加而上升。然而，无论是半双工还是全双工最大比传输方案，当发射功率增加到一定程度时，保密速率就会饱和。

在图5中，本发明展示了自干扰抑制参数ρ和公共路径数L_c对保密速率的影响。保密速率的变化与公共路径数量的变化相反。随着L_c的增加，保密性能会显着下降。其内在原因是窃听信道与合法主信道共享的路径越多，窃听者越容易截获机密信息。这个数字还意味着，如果自干扰消除不理想，将导致系统保密性能显着下降。换言之，部署全双工来提高系统保密性能需要有效的自干扰消除技术来首先抑制不需要的干扰泄漏。

图6描绘了所提出的基于全双工干扰的混合波束形成技术传输方案的保密速率，并选择全数字波束形成方法作为基准。该图表明保密速率总是随着公共路径数量的增加而降低，这表明保密性能切相关。其内在原因是窃听信道与合法主信道共享的路径越多，窃听者越容易截获机密信息。此外，它表明混合波束形成可以很好地逼近全数字波束形成的保密性能。此外，它还验证了全双工通信的性能远胜于半双工通信，即使在CSI不完整的情况下也是如此。

图7描述了参数对(α,∈)对保密吞吐量τ的影响。对于给定的发射功率约束P，总是存在一对最优参数α^*和∈^*使得有最大值τ^*，图中用红星标记。τ随着功率分配比的上升先上升后下降，这意味着保密吞吐量不会随着分配给保密信号传输的更多功率而持续增长。当分配给干扰信号的功率较少时，它也可能降低系统的保密性能。总体而言，对于固定的α，就保密中断概率约束∈而言，τ随着∈的增加呈抛物线状变化，这与定理2中本发明的推论和理论分析是一致的。

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 (10)

1.一种全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工MISO物理层安全传输方法包括：

分析全双工毫米波MISO通信系统中的物理层安全性能，其中全双工接收器在目的地产生干扰信号以保护机密消息；选择保密速率和保密吞吐量作为保密性能指标；在全局信道状态信息可用的情况下分析并导出单天线情况下的保密速率的封闭式表达式；在源和目的地共同设计波束形成，通过联合优化功率分配比获得最大保密速率。

2.如权利要求1所述的全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工MISO物理层安全传输方法包括以下步骤：

步骤一，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

步骤二，根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

步骤三，确定性能指标，推导出部分和全局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。

3.如权利要求2所述的全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤一中的分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型包括：

当毫米波通信系统中具有N_s个天线的源S将机密信息传输给目的地D并可能被窃听者E窃听；D为全双工模式工作，并被分为N_r个接收天线和N_t个发射天线，N_r,N_t＝1；

采用基于射线簇的信道模型，信道包括N_c个簇，每个簇包含N_ray个路径；毫米波的信道矩阵表示为：

其中，γ是平均路径损耗，

是

簇中

路径的复增益；

和

表示

的出发方位角AOD和

的到达方位角AOA的归一化阵列响应，其中

和

采用均匀线性阵列，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；考虑基于射线簇信道模型的离散角域信道模型，表示为空间可分辨的路径；考虑到阵列大小受限系统的有限角分辨率特性，使用

的离散角域，以

的固定间距对角域进行采样；信道由空间正交基表示，定义为：

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

S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型分别写为：

其中，L_ij表示不同连接空间可解析路径的数量，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)是复增益矩阵或向量，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；若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；

当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有一个环路H_dd；环路H_dd由两个分量组成，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；因为近场分量与远场范围条件不匹配，考虑球形传播模型；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；使用发射机/接收机表示发射/接收阵列；反射路径组件采用与引入的毫米波通信信道相同的模型，写成：

引入变量ρ和0≤ρ≤1；当ρ＝0时，是指理想的情况，没有自干扰；

自干扰消除后，最终的自干扰信道改写为：

H_si＝ρH_dd＝ρ(H_NF+H_FF),

其中，H_NF表示近场分量。

4.如权利要求2所述的全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤二中的根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异包括：

当假设S配备多个天线，N_s＞1；D配置一个发射和一个接收天线，N_r,N_t＝1；

采用混合模拟和数字波束形成天线结构，由移相器和基带处理器组成；当RF链的数量为

满足

利用S和D处的波束形成，D和E处的接收信号表示为：

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

和

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

和

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。

5.如权利要求2所述的全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤三中的确定性能指标包括：

将D和E的信道容量分别表示为C_d和C_e，表示为：

考虑到信道容量，选择保密速率作为性能指标，表示为：

6.如权利要求2所述的全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述步骤三中的推导出部分和全局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包括：

机密信号在S处以功率p_s传输，考虑S处的功率限制P_s；在S和D的发射机上存在联合功率约束P，用因子α描述S和D之间的功率分配，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；当接收机有一个接收天线和一个发射天线，分别分析全局CSI已知和只有部分CSI已知的情况；

a.全局CSI已知

多输入单输出MISO的情况中只有S配备多根天线，D配备一根接收源信号的接收天线和一根发射干扰信号的发射天线；保密速率最大化问题等价于：

其中，

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量；‖F_RFf_BB‖²＝1表示归一化f_BB以满足总功率约束；通过生成广义特征值方法优化发射波束形成后，设计相应的混合波束形成并优化功率分配以最大化保密速率；

在波束形成设计之前，确定ρ的取值范围；

实现正保密速率，如果ρ满足：

通过利用窃听信道的信息，广义特征值波束形成方案在D和E之间存在最显着信号质量差异的信道中传输信号，导致D处信号功率的增加和E处的功率抑制；波束形成向量写成：

其中，χ_max(A₁,B₁)是广义特征向量，对应于矩阵对(A₁,B₁)的最大广义特征值；

在S处联合设计混合结构的基带波束形成向量和RF波束形成矩阵，同时考虑功率分配比；通过分解联合优化问题，通过最小化F_RFf_BB和无约束最优波束形成矩阵f_opt之间的差来获得联合设计；使用基于正交匹配追踪OMP原理的算法波束形成解决方案解决；在矩阵A_s中找到向量

最优预编码器在该向量上具有最大的投影，并且选择的向量被添加到F_RF作为一个元素；在找到构成F_RF的主导向量后，得到f_BB的最小二乘解；重复此过程，直到所有

波束形成向量被选择；在

次迭代后，获得最优的F_RF和f_BB来最小化‖f_opt-F_RFf_BB‖；

最优α^*＝min{α°,α_max}，

是由于S处的功率约束，分配因子的最大值；通过求解优化问题，求出α°的值为：

其中，

B＝2(x₂x₃-x₁x₄)(x₂+1)(x₄+1)，C＝x₁(x₂+1)(x₄+1)²-x₃(x₄+1)(x₂+1)²；

b.仅部分CSI已知

MISO情况，其中N_s＞1,N_r＝1，以及N_t＝1用于传输干扰信号；利用保密中断概率的概念，推导R_s的表达式，建立新的优化问题，利用最大化保密吞吐量τ衡量有效保密性能；将问题表述为：

其中，

表示F_RF的第i^th列，

表示F_RF的可行列集合，

的每个元素都是N_s×N_cN_ray矩阵

的一个阵列响应向量；‖F_RFf_BB‖²＝1表示归一化f_BB以满足总功率约束；目标是确定混合波束形成矩阵F_RFf_BB的设计；通过联合优化α和∈，最大化τ，在S处应用最大比传输MRT波束形成

使用基于OMP的算法分解得到混合结构的基带波束形成向量和射频波束形成矩阵；

推导出D和E处的信干噪比SINR表达式，记为ξ_D和ξ_E：

其中，表示

子矩阵

由函数

从B中提取元素生成；Ω_k和Ω_l包含与提取的行和列对应的所有索引；

描述从B中选择的列组成的子矩阵，集合Ω_l包含所提取列的所有索引，以及Ω代表B的所有行索引；而对于向量，函数

生成一个从b中提取的向量；

和

和

定义

和

与窃听信道的统计分布有关，其中μ₁～Exp(1)，μ₂～Exp(1)；

ξ_E的累积分布函数CDF表示为：

根据P_so的定义，推导出R_s的表达式：

其中，

表示

的逆函数；

得到τ的最大化问题的精确表达式为：

其中，

τ与功率分配比率α和保密中断概率约束∈密切相关；

每个α均存在一个最优∈，以最大化保密吞吐量；∈^*是以下方程的唯一解：

其中，

在

的范围内均匀地设置α的值，计算每个预设α对应的∈，计算每对(α,∈)的保密吞吐量，选择最优对(α^*,∈^*)，得出最优功率分配因子和相应的保密中断概率，进而得出最优功率分配因子和相应的保密中断概率。

7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的全双工MISO物理层安全传输方法的全双工单天线物理层安全传输系统，其特征在于，所述全双工MISO物理层安全传输系统包括：

信道模型构建模块，用于分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；

形成矩阵设计模块，用于根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；

性能指标确定模块，用于确定性能指标，推导出部分和全局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。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局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。

9.一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如下步骤：

分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局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。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述的全双工MISO物理层安全传输系统。

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