[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

说明书

本发明公开了一种基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，该方法包括：采集预设数量的小区广播通信场景中的网络信息；利用干扰对齐技术对网络信息进行处理，以进行波束赋形矩阵设计，进而消除每个合法用户端的小区间干扰和用户间干扰；当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；基站端利用功率分配因子对每个合法用户进行服务，同时，发射人工噪声对窃听者进行干扰。该方法能够有效在保证合法用户端性能不受多用户干扰影响的同时，利用人工噪声与多用户干扰对外部窃听者的窃听性能进行恶化，并通过功率分配最优化方案有效提升物理层安全传输性能。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法。

背景技术

物理层安全的实质是利用无线信道和噪声的随机特性，使通信中合法信道和窃听信道之间产生差异，采用信号处理技术增加窃听方获取有用信息的难度，实现信号的安全传输。与传统的上层加密手段相比，物理层安全技术主要从信息论的角度实现数据的安全传输，而不需要复杂的密钥管理和分发过程，计算复杂度降低，有利于适应计算能力有限的节点；同时，物理层安全手段可以有效抵御暴力破解，实现完美保密。因此，作为密码学加密算法的辅助解决方案，物理层安全技术因其具备信息论角度的完美保密性能而受到学界关注。

进一步地，物理层安全技术存在两个研究分支：安全传输技术以及密钥和认证技术。其中，物理层的密钥和认证技术主要包括安全认证和密钥分发，利用信道的随机特性，尽快在物理层识别出无线终端身份；而物理层安全传输技术主要采用信号处理技术确保数据的保密传输。在基于信号处理的物理层安全技术中，多天线技术的引入能够提供更多空间自由度，弥补单天线系统中合法接收端与非法窃听端所接收信号无法在时域及频域分离的不足，从而进一步提升系统性能。借助于多天线技术，无论是利用空时编码实现分集还是复用，点对点MIMO通信系统均能够在信道容量和可靠性方面相比单输入单输出(SingleInput Single Output,SISO)系统实现巨大增益。而对于多用户MIMO(Multiple UserMIMO,MU-MIMO)系统而言，其不仅仅只是单用户MIMO(Single User MIMO,SU-MIMO)的简单扩展。这是因为，在MU-MIMO系统中，为了提高频谱效率，多个发射端(接收端)共享时频资源发射(接收)信号，多用户干扰不可避免。因此，多天线技术在确保实现每个用户的分集或复用增益的同时，还需要借助天线提供足够的自由度用以分离不同的信号。另一方面，传统多用户网络中的用户间干扰是限制系统性能提升的一个不利因素，但它也可以作为安全通信中的一个额外因素用来迷惑窃听者。

当前针对下行多小区广播通信场景的安全传输方案研究中，多数研究只针对合法接收端配备单根天线的情况，通过设计基站端的发射预编码方案实现数据的安全传输。但随着对通信系统容量要求的提高，接收端配备多根天线的场景更加符合实际应用需求。另一方面，接收端配备多根天线时，通过联合设计接收端与发射端的预编码矩阵，有望对多用户干扰实现更好的管理，从而进一步增强系统的安全性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于干扰管理的人工噪声辅助的物理层安全方法，该方法利用干扰管理技术提升合法用户的通信性能的同时，通过合理分配功率发射人工噪声抵抗非法用户的窃听，从而实现通信安全。