CN115378480A - 一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 - Google Patents
一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115378480A CN115378480A CN202211016932.6A CN202211016932A CN115378480A CN 115378480 A CN115378480 A CN 115378480A CN 202211016932 A CN202211016932 A CN 202211016932A CN 115378480 A CN115378480 A CN 115378480A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- safety
- phase
- function
- constraint
- optimization problem
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 64
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 8
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 claims description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 6
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005562 fading Methods 0.000 claims description 3
- 238000012886 linear function Methods 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
- H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B17/00—Monitoring; Testing
- H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
- H04B17/391—Modelling the propagation channel
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
- H04L41/14—Network analysis or design
- H04L41/145—Network analysis or design involving simulating, designing, planning or modelling of a network
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Transmitters (AREA)
Abstract
本发明公开了一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,属于无线通信技术领域;本发明在发射机、期望接收机和监听者通信系统模型,针对实际离散符号输入的无线系统安全中断概率,构建基于概率可控的最大化安全速率优化问题:首先利用多指数拟合函数将非闭合的互信息量目标函数转换成具有闭合表达式的替代函数分析信噪比与可达速率之间的输入输出关系;随后通过分析最优预编码器的相位和幅度特性,推断出最优预编码器的相位与发射机到期望接收机间的信道相位相正交定理并证明;最后将受安全中断概率约束的安全速率最大化问题简化为只与两个标量相关的优化问题,进而反推出最优预编码器。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法。
背景技术
基于传统高斯输入的无线通信系统能达到信道传输容量,然而在实际数据调制过程中,离散符号输入才是二进制比特与传输数据间的映射载体,衡量着真实数据传输速率的高低。另一方面,由于无线通信的广播特性,发射机发射机(Alice)与期望接收机(Bob)链路间传输的合法符号可能会面临恶意监听机(Eve)的窃听风险,尤其是在当下的通信环境变得极其复杂的情况下。因此,构建安全传输体系是下一代无线传输极其重要的一环。
传统的通信安全主要依靠网络层加密技术实现,需要依靠巨额计算量的密钥生成和解密算法作为支撑。依此,不难推断在未来大规模无线网络中,高要求的密钥分发与管理将会面临严峻挑战。相比之下,物理层安全(PLS)技术不需要使用密钥来保证安全传输,其基本原理是利用无线信道的随机性加以保护,因此PLS被看作是增强安全性的可行替代方案。近年来,以高斯输入为基础的物理层安全研究得到了广泛的关注,即认为传输速率即为信道容量。然而众所周知,高斯输入对应的信道容量实际上是传输速率的上限,且往往是不可达速率。作为实际的离散符号输入,每次信号调制后都是从一个具体的调制星座图中抽取星座点作为二进制数据的映射符号,说明准确衡量离散符号输入的传输速率对无线传输前的部署具有重要研究价值。
然而针对离散符号的安全传输问题,由于其安全速率表达式缺少封闭形式,因此直接优化预编码向量求解安全速率(SR)最大化问题往往并不可行。为了解决该问题,目前市面上通常有两种典型的解决方案:1)利用最小均方误差和互信息量间的关系,推导出关于预编码向量的导数,进而通过梯度迭代不断优化。该方法主要缺点在于,计算量极高且很容易导致得出的解陷入局部最优;2)利用截止速率替代非闭的互信息量(MI)表达式,进而构建具有标准形式的凹最大化问题,较方案1)而言该方法是一种相对高效的解决方法。该方法的缺点在于,很难确定得到的解与最优解之间的性能差距,且构建的优化问题与原问题在等价性方面具有模糊性。
值得注意,过往的研究基本上都只关注如何提高安全速率(SR)而没有考虑安全中断事件(SOE)。虽然安全速率(SR)最大化方案在一定程度上可以保证安全性,但却不能从概率可控的角度避免安全中断事件的发生。例如,由于发射机(Alice)到期望接收机(Bob)以及到监听机(Eve)的信道均具有随机性,因而在低信噪比(SNR)区域安全中断事件往往不能完全避免。与直接最大安全速率(SR)相比,将具有可控性的安全中断概率引入安全性优化问题中,能促使具有安全中断概率(SOP)约束的最大化安全速率(SR)研究更具可信度。鉴于此,本发明提出了一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法以解决背景技术中所提到的问题。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,具体包括以下步骤:
S1、构建经典三点式通信系统模型:选取发射机(Alice)、期望接收机(Bob)和监听机(Eve)作为三点式通信系统模型的实体研究对象;
S2、求解基于实际离散符号输入的安全中断概率:根据监听机(Eve)的统计信道信息推算监听机(Eve)的信噪比分布函数,构建冗余速率表征安全中断概率。
S3、构建优化问题:针对实际离散符号输入的安全中断概率约束条件特性,构建最大化可达安全速率优化问题;
S4、简化优化问题:对S3中所构建的优化问题进行分析并化简,利用多指数拟合函数将非闭合的互信息量目标函数转换成具有闭合表达式的替代函数,进而分析信噪比与可达速率之间的输入输出关系。
S5、提出最优预编码器的相位条件定理并证明:基于S4中化简后的优化问题,提出可进一步化简优化问题的定理1并对其进行证明,所述定理1的具体内容为:最优预编码器的相位与发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道相位相正交;
S6、确定最优预编码器:根据S5中所提出的定理1,将受安全中断概率约束的安全速率最大化问题简化为只与两个标量相关的优化问题,进而推导确定最优预编码器的幅度和相位。
优选地,所述S1中所提到的构建经典三点式通信系统模型,具体包括以下内容:
假设发射机(Alice)为多天线,期望接收机(Bob)和监听机(Eve)均为单天线。为提升阵列增益,在某一相干时间内发射机(Alice)上天线发射同一调制符号。基于此,期望接收机(Bob)的接收信号yB可表示为:
yB=hTpx+nB (1)
其中,为发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道向量,为待求解的线性预编码向量,x表示星座点图中的调制符号并满足平均功率约束E[|x|2]=1,E[·]表示随机变量的期望。此外,nB表示期望接收机(Bob)的高斯白噪声,服从即零均值圆对称,方差为σB 2I的噪声向量。
与此同时,监听机(Eve)的接收信号yE表示为:
yE=gTpx+nE (2)
优选地,所述S2中提到的求解基于实际离散符号输入的安全中断概率,具体包括以下内容:
监听机(Eve)的平均信噪比可表示为展开可得假设g服从瑞丽信道衰落,因而是一系列具有不同参数的高斯分布的总和,进一步可推导γE服从指数分布且参数为因此,监听机(Eve)的平均信噪比概率分布函数(PDF)可表示为基于进一步可采用冗余速率RE衡量安全中断概率(SOP),可表述为:
pso(γE)=Pr(RE<IE(γE)) (3)
其中,IE(γE)是指监听机在信噪比γE时的可达传输速率。
优选地,所述S3中提到的构建优化问题,具体包括以下内容:
在总功率约束和安全中断概率约束保护下的可达安全速率最大化问题可以表示为:
其中,IB(p)为发射机(Alice)到期望接收机(Bob)信道间的可达传输速率,∈s为可允许的安全中断概率,Pt是总发射功率。
优选地,所述S4中提到的简化优化问题,具体包括以下内容:
同样地,在信道比为γE时,替代非闭表达式IE(γE)的多指数衰减拟合函数可表示为:
pso(γE)=Pr(φE<γE) (8)
因此,针对问题(4)中的安全中断概率约束下的安全速率最大化问题进一步简化为:
优选地,所述S5中提到的提出最优预编码器的相位条件定理并证明。具体包括以下内容:
定理1:最大化问题(10)的最优解p的相位与h*的相位一致,即∠p*=∠h*。
利用KKT条件来证明定理1,其相关的拉格朗日函数可以表示为
1)首先考虑当式(13)中时的情况。对于这种情况,很容易推导出pHh*hT=0,该结果表明p位于矩阵h*hT的零空间中。因此,在发射机(Alice)和期望接收机(Bob)之间的通信中,可达的互信息量一定为零,进一步导致安全速率为零。也就是说,这种情况对应于L(p)的一极小值点,因此不在考虑范围。
为了便于分析(13)中p的相位特性,可将h展开表示为其中|hi|和分别为h的第i个元素的振幅和相位。同样,将pT展开为其中和分别为p的第i个元素的振幅和相位。因此,将式(14)中的pHh*hT项展开表示为:
因此,进一步可得出
根据式(17),可知p*的相位与h的相位具有一定固定偏差值。
再根据前面优化问题(10),可知所有与p相关的项均是二次形式,因此具有固定常数偏差并不影响问题(10)的结果,即得最优的p*相位满足∠p*=∠h*。
利用定理1中结论,即最优预编码器的相位与发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道相位相正交的特性,可进一步降低针对相位优化的复杂度。
优选地,所述S6中提到的确定最优预编码器,具体包括以下内容:
利用定理1,问题(10)的最优解p*可表述为p*=pr⊙μ,其中⊙表示Hadamard乘积,pr是满足功率约束的一个实向量且有和μ=∠h*。因此,可将与p相关的优化问题简化为只与实向量pr相关的优化问题。如此,问题(10)的安全速率最大化问题简化成:
其中,接下来,分析问题(18)的最优解pr的特征。根据和容易证明出和分别是关于变量φE和的单调递减函数。因此对于固定的变量φE,问题(18)的最大化目标函数的最优解pr满足pr=prμr,其中μr=hr/|hr|,为了进一步简化优化问题难度,定义将问题(18)等效成优化问题:
其中,注意到问题(19)的目标函数涉及到一系列非凸函数的求和,且实际上是关于变量φE的一个凸函数。由于优化问题是最大化问题,因而需要构建一个具有凹性的目标函数。为了构建关于变量φE和Pr的凹函数,推导出关于一个具有线性特性的下界函数:
其中,φE,0是变量φE定义域内的一个可行点。利用替代掉构建出关于变量φE的线性函数与变量Pr的凸函数间之差,因此目标函数是关于变量φE和Pr的凹函数。最后,通过求解优化问题(21)确定最优预编码器:
与现有技术相比,本发明提供了一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方案,具备以下有益效果:
(1)本发明针对实际离散符号输入的安全中断概率约束条件特性,构建了具有闭合形式的最大化可达安全速率优化问题;
(2)本发明能充分利用变量特性与最大化问题之间的耦合关系,推导出基于离散符号输入的安全中断概率解析表达式,求解预编码器的计算复杂度低;
(3)本发明证明了最优预编码器的相位与发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道相位具有正交特性,从而将向量优化问题降维成标量优化问题,从而大大降低了优化难度。
附图说明
图1为本发明提出的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法的一个系统示意图;
图2为本发明提出的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法的算法流程示意图;
图3为本发明提出的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方案的实施例1中的安全性能展示图;
图4为本发明提出的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方案的实施例1中迭代过程中φE、Pr以及迭代次数的频率分布和累计分布函数(CDF)示意图;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1:
请参阅图1-2,一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,具体包括以下步骤:
S1、构建经典三点式通信系统模型:选取发射机(Alice)、期望接收机(Bob)和监听机(Eve)作为三点式通信系统模型的实体研究对象;
S1中所提到的构建经典三点式通信系统模型,具体包括以下内容:
假设发射机(Alice)为多天线,期望接收机(Bob)和监听机(Eve)均为单天线。为提升阵列增益,在某一相干时间内发射机(Alice)上天线发射同一调制符号。基于此,期望接收机(Bob)的接收信号yB可表示为:
yB=hTpx+nB (1)
其中,为发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道向量,为待求解的线性预编码向量,x表示星座点图中的调制符号并满足平均功率约束E[|x|2]=1,此处E[·]表示随机变量的期望。此外,nB表示期望接收机(Bob)的高斯白噪声,服从即零均值圆对称,方差为σB 2I的噪声向量。
与此同时,监听机(Eve)的接收信号yE表示为:
yE=gTpx+nE (2)
S2、求解基于实际离散符号输入的安全中断概率:根据监听机(Eve)的统计信道信息推算监听机(Eve)的信噪比分布函数,构建冗余速率表征安全中断概率。
S2中提到的求解基于实际离散符号输入的安全中断概率,具体包括以下内容:
监听机(Eve)的平均信噪比可表示为展开可得假设g服从瑞丽信道衰落,因而是一系列具有不同参数的高斯分布的总和,进一步可推导γE服从指数分布且参数为因此,监听机(Eve)的平均信噪比概率分布函数(PDF)可表示为基于进一步可采用冗余速率RE衡量安全中断概率(SOP),可表述为:
pso(γE)=Pr(RE<IE(γE)) (3)
其中,IE(γE)是指监听机(Eve)在信噪比γE时的可达传输速率。
S3、构建优化问题:针对实际离散符号输入的安全中断概率约束条件特性,构建最大化可达安全速率优化问题;
S3中提到的构建优化问题,具体包括以下内容:
在总功率约束和安全中断概率约束保护下的可达安全速率最大化问题可以表示为:
其中,IB(p)为发射机(Alice)到期望接收机(Bob)信道间的可达传输速率,∈s为可允许的安全中断概率,Pt是总发射功率。
S4、简化优化问题:对S3中所构建的优化问题进行分析并化简,利用多指数拟合函数将非闭合的互信息量目标函数转换成具有闭合表达式的替代函数,进而分析信噪比与可达速率之间的输入输出关系。
S4中提到的简化优化问题,具体包括以下内容:
同样地,在信道比为γE时,替代非闭表达式IE(γE)的多指数衰减拟合函数可表示为:
pso(γE)=Pr(φE<γE) (8)
因此,针对问题(4)中的安全中断概率约束下的安全速率最大化问题进一步简化为:
S5、提出最优预编码器的相位条件定理并证明:基于S4中化简后的优化问题,提出可进一步化简优化问题的定理1并对其进行证明,所述定理1的具体内容为:最优预编码器的相位与发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道相位相正交;
S5中提到的提出最优预编码器的相位条件定理并证明,具体包括以下内容:
定理1的具体内容为:最大化问题(10)的最优解p的相位与h*的相位一致,即∠p*=∠h*。
利用KKT条件来证明定理1,其相关的拉格朗日函数可以表示为:
1)首先考虑当式(13)中时的情况。对于这种情况,很容易推导出pHh*hT=0,该结果表明p位于矩阵h*hT的零空间中。因此,在发射机(Alice)和期望接收机(Bob)之间的通信中,可达的互信息量一定为零,进一步导致安全速率为零。也就是说,这种情况对应于L(p)的一极小值点,因此不在考虑范围。
为了便于分析(13)中p的相位特性,可将h展开表示为其中|hi|和分别为h的第i个元素的振幅和相位。同样,将pT展开为其中和分别为p的第i个元素的振幅和相位。因此,将式(14)中的pHh*hT项展开表示为:
因此,进一步可得出:
根据式(17),可知p*的相位与h的相位具有一定固定偏差值。再根据前面优化问题(10),可知所有与p相关的项均是二次形式,因此具有固定常数偏差并不影响问题(10)的结果,即得最优的p*相位满足∠p*=∠h*。
利用定理1中结论,即最优预编码器的相位与发射机(Alice)到期望接收机(Bob)间的信道相位相正交的特性,可进一步降低针对相位优化的复杂度。
S6、确定最优预编码器:根据S5中所提出的定理1,将受安全中断概率约束的安全速率最大化问题简化为只与两个标量相关的优化问题,进而推导确定最优预编码器的幅度和相位。
S6中提到的确定最优预编码器,具体包括以下内容:
利用定理1,问题(10)的最优解p*可表述为p*=pr⊙μ,其中⊙表示Hadamard乘积,pr是满足功率约束的一个实向量且有和μ=∠h*。因此,可将与p相关的优化问题简化为只与实向量pr相关的优化问题。如此,问题(10)的安全速率最大化问题简化成:
其中,接下来,分析问题(18)的最优解pr的特征。根据和容易证明出和分别是关于变量φE和的单调递减函数。因此对于固定的变量φE,问题(18)的最大化目标函数的最优解pr满足pr=prμr,其中μr=hr/|hr|,为了进一步简化优化问题难度,定义将问题(18)等效成优化问题:
其中,注意到问题(19)的目标函数涉及到一系列非凸函数的求和,且实际上是关于变量φE的一个凸函数。由于优化问题是最大化问题,因而需要构建一个具有凹性的目标函数。为了构建关于变量φE和Pr的凹函数,推导出关于一个具有线性特性的下界函数:
其中,φE,0是变量φE定义域内的一个可行点。利用替代掉构建出关于变量φE的线性函数与变量Pr的凸函数之间的差,因此目标函数是关于变量φE和Pr的凹函数。最后,通过求解优化问题(21)确定最优预编码器:
为表明上述推导结果的正确性和有效性,进一步通过仿真验证提出的安全中断概率保护的安全性能优化算法的优势。请参阅图3,具体仿真参数设置如下:发射天线数Nt=8,算法的迭代终止条件ε=0.0001,期望接收机(Bob)和监听机(Eve)处的噪声水平相等(即),可达安全速率通过产生500次随机信道对应的安全速率平均所得。图3结果表明,可达安全速率会随着调制阶数的增加而上升。以εs=0.1为例,从M=4增加到M=16,最大可达安全速率性能从0.78bits/s/Hz提升至1.22bits/s/Hz。此外,图3还反映了可达安全速率性能与可容忍的安全中断概率(SOP)间的关系,仿真结果表明更小的εs会导致可达安全速率性能降低。事实上,该结果与实际通信情况完全相一致,因为εs的大小衡量着安全等级且其值越小会迫使冗余速率RE越大以规避安全中断事件的发生,进而使得可达安全速率性能降低。因此从整体来看,在固定的M和εs,可达速率不会随着信噪比(SNR)一直上升,而是达到一定程度即会出现饱和情况。
图4从多个角度证明了算法的有效性。首先,图4(a)给出了φE随着信噪比(SNR)变化情况,该结果表明在SNR≤-5dB时,冗余速率RE会不断减小。图4(b)给出了预编码器总功率的使用情况,仿真结果表明该功率会随着信噪比(SNR)的增加而降低使用功率。这是因为随着信噪比(SNR)的增加说明信道质量在不断变优,此时期望接收机(Bob)和监听机(Eve)的解码能力都处于较高水平。为了能获得更高的安全性,发射机(Alice)则需要管控发射功率以平衡它们的解码性能。图4(c)和4(d)分别给出了算法迭代次数的统计直方图和累计分布函数图。结果表明在99%的概率情况下,10次迭代基本就能保证算法收敛至近最优解,该结果也说明了算法在设计预编码器方面的有效性。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,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,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、构建经典的三点式通信系统模型:选取发射机、期望接收机和监听机作为三点式通信系统模型的实体研究对象;
S2、求解基于实际离散符号输入的安全中断概率:根据监听机的统计信道信息推算监听机的信噪比分布函数,构建冗余速率表征安全中断概率;
S3、构建优化问题:针对实际离散符号输入的安全中断概率约束条件特性,构建最大化可达安全速率优化问题;
S4、简化优化问题:对S3中所构建的优化问题进行分析并化简,利用多指数拟合函数将非闭合的互信息量目标函数转换成具有闭合表达式的替代函数,进而分析信噪比与可达速率之间的输入输出关系;
S5、提出最优预编码器的相位条件定理并证明:基于S4中化简后的优化问题,提出可进一步化简优化问题的定理1并对其进行证明,所述定理1的具体内容为:最优预编码器的相位与发射机到期望接收机间的信道相位相正交;
S6、确定最优预编码器:根据S5中所提出的定理1,将受安全中断概率约束的安全速率最大化问题简化为只与两个标量相关的优化问题,进而推导确定最优预编码器的幅度和相位。
2.根据权利要求1所述的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,其特征在于,所述S1中所提到的构建经典三点式通信系统模型,具体包括以下内容:
假设发射机为多天线,期望接收机和监听机均为单天线;为提升阵列增益,在某一相干时间内发射机上天线发射同一调制符号;基于此,将期望接收机的接收信号yB表示为:
yB=hTpx+nB (1)
其中,h∈£Nr×1为发射机到期望接收机间的信道向量,p∈£Nr×1为待求解的线性预编码向量,x表示星座点图中的调制符号并满足平均功率约束E[|x|2]=1,E[·]表示随机变量的期望;nB表示期望接收机的高斯白噪声,服从即零均值圆对称,方差为的噪声向量;
将监听机的接收信号yE表示为:
yE=gTpx+nE (2)
5.根据权利要求1所述的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,其特征在于,所述S4中提到的简化优化问题,具体包括以下内容:
A2、在信道比为γE时,替代非闭表达式IE(γE)的多指数衰减拟合函数为:
pso(γE)=Pr(φE<γE) (8)
A7、基于A6中所得内容,将问题(4)中的安全中断概率约束下的安全速率最大化问题进一步简化为:
6.根据权利要求5所述的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,其特征在于,所述S5中提到的提出最优预编码器的相位条件定理并证明,具体包括以下内容:
所述定理1的具体内容为:安全速率最大化问题(10)的最优解p的相位与h*的相位一致,即∠p*=∠h*;
利用KKT条件来证明定理1,其相关的拉格朗日函数可以表示为:
1)当式(13)中时,推导可知pHh*hT=0,进而表明p位于矩阵h*hT的零空间中;因此,在发射机和期望接收机之间的通信中,可达的互信息量一定为零,进一步导致安全速率为零;即该条件下对应于L(p)的一极小值点,因此不在考虑范围;
为了便于分析(13)中p的相位特性,将h展开表示为其中|hi|和分别表示h的第i个元素的振幅和相位;再将pT展开为其中和分别表示p的第i个元素的振幅和相位;最后将式(14)中的pHh*hT项展开表示为:
从相位的角度分析,利用式(14)可推导出:
根据式(16)进一步可得出:
根据式(17)可知,p*的相位与h的相位具有一定固定偏差值;
再根据安全速率最大化问题(10)可知,所有与p相关的项均是二次形式,因此具有固定常数偏差并不影响安全速率最大化问题(10)的结果,即得最优的p*相位满足∠p*=∠h*。
7.根据权利要求1所述的一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法,其特征在于,所述S6中提到的确定最优预编码器,具体包括以下内容:
B1、利用定理1,安全速率最大化问题(10)的最优解p*可表述为p*=pr⊙μ,其中e表示Hadamard乘积,pr是满足功率约束的一个实向量且有和μ=∠h*;因此,将与p相关的优化问题简化为只与实向量pr相关的优化问题,即问题(10)进一步简化后的形式为:
B2、分析问题(18)的最优解pr的特征:根据和证明得出和分别是关于变量φE和的单调递减函数;因此对于固定的变量φE,问题(18)的最大化目标函数的最优解pr满足pr=prμr,其中,μr=hr/|hr|;
B5、通过求解优化问题(21)确定最优预编码器:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211016932.6A CN115378480B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211016932.6A CN115378480B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115378480A true CN115378480A (zh) | 2022-11-22 |
CN115378480B CN115378480B (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=84066761
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202211016932.6A Active CN115378480B (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115378480B (zh) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108964730A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-07 | 南京理工大学 | 安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法 |
CN108988922A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-11 | 南京理工大学 | 安全空间调制中基于最大化近似安全速率的预编码方法 |
CN110290548A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-27 | 南京航空航天大学 | 一种基于人工噪声的协作空间调制系统的保密速率计算方法 |
WO2021023494A1 (en) * | 2019-08-05 | 2021-02-11 | Sony Corporation | Communication devices and methods for secure communication |
US20210204117A1 (en) * | 2019-12-27 | 2021-07-01 | University Of Electronic Science And Technology Of China | Physical layer secure communication against an eavesdropper with arbitrary number of eavesdropping antennas |
CN113067813A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-02 | 北京邮电大学 | 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置 |
KR20220055703A (ko) * | 2020-10-27 | 2022-05-04 | 한국과학기술원 | 하향 링크 보안 비직교 다중 접속 네트워크 환경에서 보안성능 향상을 위한 최적의 불규칙적인 가우시안 신호 설계 방법 및 그 시스템 |
CN114745031A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-12 | 西安电子科技大学 | 一种全双工mimo物理层安全传输方法 |
CN114827992A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-29 | 西安电子科技大学 | 一种全双工miso物理层安全传输方法、系统及应用 |
-
2022
- 2022-08-24 CN CN202211016932.6A patent/CN115378480B/zh active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108964730A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-07 | 南京理工大学 | 安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法 |
CN108988922A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-11 | 南京理工大学 | 安全空间调制中基于最大化近似安全速率的预编码方法 |
CN110290548A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-27 | 南京航空航天大学 | 一种基于人工噪声的协作空间调制系统的保密速率计算方法 |
WO2021023494A1 (en) * | 2019-08-05 | 2021-02-11 | Sony Corporation | Communication devices and methods for secure communication |
US20210204117A1 (en) * | 2019-12-27 | 2021-07-01 | University Of Electronic Science And Technology Of China | Physical layer secure communication against an eavesdropper with arbitrary number of eavesdropping antennas |
KR20220055703A (ko) * | 2020-10-27 | 2022-05-04 | 한국과학기술원 | 하향 링크 보안 비직교 다중 접속 네트워크 환경에서 보안성능 향상을 위한 최적의 불규칙적인 가우시안 신호 설계 방법 및 그 시스템 |
CN113067813A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-02 | 北京邮电大学 | 基于频控阵的物理层安全传输优化方法和装置 |
CN114745031A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-12 | 西安电子科技大学 | 一种全双工mimo物理层安全传输方法 |
CN114827992A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-07-29 | 西安电子科技大学 | 一种全双工miso物理层安全传输方法、系统及应用 |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
CHAO WANG ET AL: "Robust Hybrid Precoding Design for Securing Millimeter-Wave IoT Networks Under Secrecy Outage Constraint", IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, vol. 8, no. 16, XP011870663, DOI: 10.1109/JIOT.2021.3064341 * |
CHONGJUN OUYANG ET AL: "Security Enhancement via Antenna Selection in MIMOME Channels With Discrete Inputs", IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, vol. 68, no. 8, XP011804460, DOI: 10.1109/TCOMM.2020.2997401 * |
GUIYANG XIA ET AL: "Alleviating Secrecy Outage Events via Power Optimization for Finite-Alphabet Inputs", IEEE WIRELESS COMMUNICATIONS LETTERS, vol. 11, no. 2 * |
丁青锋;奚韬;杨倩;丁旭;: "有限字符输入下基于截断速率的安全空间调制天线选择算法", 通信学报, no. 03 * |
曹阔;管新荣;杨炜伟;李玮;: "有限字符输入下MISO窃听网络中波束赋形设计", 军事通信技术, no. 03 * |
王磊;林志;杨炜伟;管新荣;: "非理想CSI时MISO网络物理层安全性能分析", 军事通信技术, no. 04 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115378480B (zh) | 2024-01-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Trigui et al. | Secrecy outage probability and average rate of RIS-aided communications using quantized phases | |
Chatzidiamantis et al. | On the distribution of the sum of gamma-gamma variates and applications in RF and optical wireless communications | |
Nistazakis et al. | QAM and PSK OFDM RoFSO Over $ M $-Turbulence induced fading channels | |
CN109150855B (zh) | 一种优化功率资源的鲁棒性无线通信安全传输方法 | |
CN109728865B (zh) | 大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法 | |
CN113395096B (zh) | 一种fdd系统中基于深度学习的物理层安全传输方法 | |
Miao et al. | Parameter estimation of gamma-gamma fading with generalized pointing errors in FSO systems | |
CN115834046A (zh) | 一种具有光源监控功能的参考系无关量子密钥分发方法 | |
Ahmad et al. | Outage probability and ergodic capacity of distributed transmit beamforming with imperfect CSI | |
Kim et al. | Massive data generation for deep learning-aided wireless systems using meta learning and generative adversarial network | |
CN115378480A (zh) | 一种离散符号输入在安全中断概率约束的预编码设计方法 | |
CN116095131A (zh) | 一种基于物联网的水库安全监测方法 | |
Boluda-Ruiz et al. | Asymptotic average secrecy rate for MISO free-space optical wiretap channels | |
Emami et al. | A soft cooperative spectrum sensing in the presence of most destructive smart PUEA using energy detector | |
Zou et al. | IRS-assisted covert communication with eavesdropper’s channel and noise information uncertainties | |
Paglierani et al. | A primer on underwater quantum key distribution | |
CN114980086A (zh) | 模型训练、密钥生成方法、训练设备、通信方及系统 | |
CN111225363B (zh) | 基于非完美csi分布式d2d系统功率分配方法和装置 | |
Xue et al. | Wireless Coded Distributed Learning with Gaussian-based Local Differential Privacy | |
Yadav et al. | Intercept Probability and Secrecy Capacity Evaluation of RIS-Empowered Wireless Communications Over Nakagami-$ m $ Fading | |
US8781416B1 (en) | Adapting transmit parameters in highly dynamic channel | |
Tang et al. | Mobile Performance Intelligent Evaluation of IoT Networks Based on DNN | |
CN113645000B (zh) | 一种面向m2m通信的短包传输方法 | |
KR20200078817A (ko) | 상관된 메인 채널 및 도청 채널을 위한 인공 잡음 기법을 이용한 보안 통신 장치 및 그 방법 | |
Yang et al. | Energy-efficient Optimization for RIS-Aided MIMO Covert Communications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |