[发明专利]一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法

说明书

一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法，本发明涉及物理层安全方法。本发明的目的是为了解决现有广播系统中保密中断概率高，保密性差的问题。过程为：一、发射端发射信号；二、计算到达第k个合法接收者端的接收信号，以及到达窃听者端的接收信号；三、计算第k个合法接收者的信干噪比和窃听者的信干噪比；四、计算第k个合法接收者的瞬时保密容量；五、计算最优的人工噪声功率分配因子；六、根据不同的人工噪声功率因子，计算出保密中断概率，绘制出保密中断概率随人工噪声功率分配因子的变化曲线，得到满足要求的人工噪声功率分配因子。本发明用于无线广播通信系统物理层安全领域。

技术领域

本发明涉及物理层安全方法。

背景技术

无线通信飞速发展，近年来受到极大的关注，无线多播传输也是无线通信中的重要应用，它可以看做是集群通信的一种形式，也有着丰富的应用场景，例如电话会议、军事命令的通知、远程授课等等。与多用户系统有所不同的是，它仅仅通过发送节点传输单码流数据到多个接收节点，每个节点接收到的数据都是相同的。无线传输环境有着与有线传输不同的特性，它经由电磁波在自由空间中传输，发送的电磁波信号并不具有保密性，可以被空间内的任意终端接收。对于广播系统而言，由于其同样处于无线传输环境，因此其和一般的无线通信面对着同样的安全威胁。更为复杂的是，由于每个节点的接收到的信息都相同，因此当窃听者破解了任意一个节点的信息时，都将造成安全风险。

物理层安全方案主要是在物理层实现安全传输，它可以完全独立于高层的加密，提供进一步的信息安全保障。无线传播信道具有开放性的特征，带来了安全威胁的同时，也给我们提供了研究空间。物理层安全的主要思想则是利用天线和无线传输特性，根据我们现在不同的信道条件和已知信息，选择波束成形、人工噪声、协作干扰、中继传输的方式保障安全传输。早先的研究成果已经表明，当窃听者的信道相比于合法用户的信道条件更差时，可以实现保密速率非零的安全传输，而即使当窃听者的条件优于合法用户时，也有可能实现完美的保密通信。

在广播通信中，面对多用户的情况，当窃听者和合法的接收者处于同样的空间中，其遵循的信号衰减的分布规律相同，此时，由于用户数量的增多，合法用户中的有任一用户的信道条件小于窃听者信道条件的概率将增加，因此将带来广播系统内最小保密容量的下降和保密中断概率的增加。由于广播系统传递给用户的信息是相同的，因此在一般多用户系统中使用的物理层安全方案并不能直接适用于广播系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有广播系统中保密中断概率高，保密性差的问题，而提出一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法。

一种基于人工噪声功率分配的物理层安全方法具体过程为：

步骤一、假设有一个合法发射端Alice，K个合法接收者(Bob1，Bob2，…BobK)，一个窃听者Eve；

发射端Alice的天线数量为N_t，每个合法接收者的天线数量为N_r，窃听者的天线数量为N_e；

假设发射端Alice的总发射功率约束限制为P，其中发射端Alice发射的人工噪声信号功率为αP，有用信号的功率为(1-α)P，则发射端Alice(具有多根天线的信源)发射信号x表示为

其中，x_s为有用信号，x_z为人工噪声信号，x_s满足||x_s||＝1，x_z满足||x_z||＝1，α为人工噪声功率分配因子，即发射端Alice发射的人工噪声功率占总的发射功率P的比例；

步骤二、假设窃听端Eve和各合法接收者Bob的接收天线增益相同，计算信号x经过Alice和Bob之间的无线广播合法信道传输，到达第k个合法接收者Bob端的接收信号，以及信号x经过Alice和Eve之间的窃听信道传输，到达窃听者Eve端的接收信号；