[发明专利]电力线通信系统的物理层通信方法和装置

说明书

本发明涉及一种电力线通信系统的物理层通信方法和装置，通过加入人工噪声的方式干扰窃听者，根据均方差计算接收解码矩阵的最优解，从而得到发射预编码矩阵的最优解和人工噪声编码矩阵的最优解，最后根据上述两个最优解分别对有用信号和人工噪声编码，构造最优发射信号，使人工噪声不会干扰合法用户，在有效保障合法用户通信的基础上抑制了窃听者对电力线通信的威胁，提高了通信安全性。

技术领域

本发明涉及电力线通信技术领域，特别是涉及一种电力线通信系统的物理层通信方法和装置。

背景技术

在电力输送基础设施上进行通信被称为电力线通信。电力线通信利用现有电力线进行高速数据传输，可极大节省成本和时间。由于电力线通信系统本质上是一个广播通信系统，其中的信息流被共享于用户间的通信网中，这意味着发射机发射的信号能够被所有的接收机获得。换句话说，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障。基于这种情形，如何确保信息的安全可靠传输就变得尤其重要。

传统的电力线通信一般可采用两种主要方式进行实现：一是在ISO/OSI系统上层编码实现；二是利用物理信道信息在物理层上实现。第一种方式，关注的是诸如数据加密标准或公钥加密算法等加密方法；而第二种方式利用了通信物理层时间/频率分集和用户的链接之间的特性差异来提供安全保障，这种方法被称为物理层安全。

然而，上述方式难以在有效保障合法用户通信的基础上彻底抑制或消除窃听者对电力线通信的威胁，导致电力线通信系统的安全性较低。

发明内容

基于此，有必要针对电力线通信系统的安全性较低的问题，提供一种电力线通信系统的物理层通信方法和装置。

一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括以下步骤：

根据发射预编码矩阵对有用信号进行编码，得到第一经编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵对人工噪声进行编码，得到第一经编码人工噪声，根据所述第一经编码发射信号和第一经编码人工噪声构造发射信号；

根据所述发射端与电力线通信系统的接收端之间的信道矩阵估算所述接收端的接收信号，计算所述接收信号的均方差，根据所述均方差计算接收解码矩阵的最优解，根据所述接收解码矩阵求解所述发射预编码矩阵的最优解和所述人工噪声编码矩阵的最优解；其中，发射预编码矩阵的最优解为：

式中，T_opt为发射预编码矩阵的最优解，V为半酉矩阵，p为发射端对合法接收端的功率分配矩阵；发射预编码矩阵的最优解根据功率分配矩阵的最优解确定；所述功率分配矩阵的最优解通过下述方式得到：

式中，λ_i表示矩阵的B个递增排序的最大特征值，p_i为第i个电力线通信信道上的发射功率，σ_b²为合法接收端的零均值复高斯噪声矢量的方差，B是整数，P₀为满足合法接收端给定均方差条件下的最大发射功率；H_b为合法接收端的信道矩阵；1^T是一个所有元素都为1的列向量；所述人工噪声编码矩阵的最优解通过下述方式得到：

式中，Γ_opt为人工噪声编码矩阵的最优解，V′是由剩余的N_a-N个特征向量构成的矩阵，P_a是发射端总功率限制，N_a是发射端电力线通信信道数目，N是用来发射有用信号的电力线通信信道数目，N_a-N是用来发射干扰噪声的电力线通信信道数目，N_a＞B，且