[发明专利]一种基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法

权利要求书

1.一种基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，采集预设数量的小区广播通信场景中的网络信息；

步骤S2，利用干扰对齐技术对所述网络信息进行处理，以在每个合法用户端进行接收波束赋形矩阵设计，在基站端进行发射预编码矩阵设计，以消除所述每个合法用户端的小区间干扰ICI和用户间干扰IUI；

步骤S3，当所述基站端发射保密数据时，同时发射人工噪声，根据预设用户服务质量需求和预设网络信息结果，计算当前保密速率最大化的功率分配因子，并依据所述当前保密速率最大化的功率分配因子分配发射给所述保密数据的功率比重和所述人工噪声的功率比重，具体过程为：

设所述基站端的可达传输速率为：

其中，t为基站端，[k,i]为用户，I_d表示维度为d的单位矩阵，θ为当前保密速率最大化的功率分配因子或所述保密数据的功率比重，P为每个基站端的发射功率，为基站端到用户[k,i]的有效信道矩阵，为基站端到用户[k,i]的有效信道矩阵的共轭转置矩阵，为用户端接收的噪声方差；

设外部窃听者Eve的可达传输速率为：

其中，e为外部窃听者Eve，[k,i]为用户，为Eve端接收的噪声方差，表示维度为d_e的单位阵，L为基站数量，l为每个基站的索引，K为每个基站下对应覆盖的小区合法用户总数，j为每个小区内合法用户的索引，为基站端发射给用户[j,l]的保密数据到Eve所经历的有效信道矩阵，为基站端发射给用户[j,l]的保密数据到Eve所经历的有效信道矩阵的共轭转置矩阵，1-θ为所述人工噪声的功率比重，d_an为所述人工噪声矩阵的维度，为所述人工噪声对应的预编码矩阵，d为数据流数量，为基站端发射给用户[k,i]的保密数据到Eve所经历的有效信道矩阵，为基站端发射给用户[k,i]的保密数据到Eve所经历的有效信道矩阵的共轭转置矩阵；

根据所述基站端的可达传输速率和所述外部窃听者Eve的可达传输速率，求得所述小区广播通信场景的系统保密和速率的表达式：

其中，为所述基站端的可达传输速率，为所述外部窃听者Eve的可达传输速率，K为每个基站下对应覆盖的小区合法用户总数，L为基站数量；

通过求解问题得到功率分配因子的最优解，即所述当前保密速率最大化的功率分配因子θ；

步骤S4，完成所述步骤S3后，所述基站端利用所述保密数据的功率比重和所述人工噪声的功率比重对每个合法用户进行服务，同时，发射所述人工噪声对外部窃听者Eve进行干扰。

2.根据权利要求1所述的基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，在所述步骤S1前，

预设各个发射机之间信息交互正常，且对发送信号联合处理；

预设所述基站端和所述每个合法用户端获得的合法信道状态信息准确，且未知所述外部窃听者Eve的信息；

预设信道为准静态瑞利块衰落信道，信道矩阵中每个元素独立同分布，且均值为0，方差为1，且所述合法用户的噪声为n:

预设所述外部窃听者Eve能获得合法信道状态信息，且所述外部窃听者Eve的噪声为n_e:

3.根据权利要求1所述的基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，所述网络信息包括：所述预设数量的小区广播通信场景中的小区数量、每个小区的用户数量和所述基站端向每个用户发送的数据流数目。

4.根据权利要求1所述的基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过利用干扰对齐技术设计所述接收波束赋形矩阵，将干扰对齐到预设子空间内，以消除所述用户间干扰IUI。

5.根据权利要求1所述的基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，所述步骤S2中，在完成所述接收波束赋形矩阵设计后，所述基站端到所述每个合法用户之间的有效信道被对齐到相同的子空间内，进而完成所述预编码矩阵的设计，以消除所述小区间干扰ICI。

6.根据权利要求1所述的基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，其特征在于，其中，通过求解的一阶导数后，采用二分法求解所述功率分配因子的最优解。