[发明专利]一种毫米波的安全传输方法

说明书

本发明属于通信领域，具体涉及一种毫米波的安全传输方法。本发明考虑的是在窃听者具有学习能力的场景下，设计安全传输方案，使得系统安全速率最大。本发明使用Markov过程对波束被窃听概率进行建模，每个时刻选择一条最优的波束进行传输，相当于把有限的资源用在效益最高的地方，使得系统安全速率达到最大值。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种毫米波的安全传输方法。

背景技术

在越来越多的智能设备和无线数据应用的推动下，过去几年中无线通信频谱需求呈爆炸性增长。利用毫米波提供丰富频谱资源以提高系统容量是一种很有前景的方法。毫米波指的是频率为30～300GHz的电磁波，毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术，可以很好地满足未来通信的需求。有关毫米波通信的研究在学术界吸引了众多关注。过去几年中，对毫米波信道建模，波束成形方案和网络性能进行了深入研究。因此，毫米波通信很有希望应用于成为5G蜂窝系统中。

但是考虑到无线信道的开放性，当利用无线通信带来不受地域约束的便利的同时，通信信息也容易被第三方接收，所以在设计无线传输方案时，安全性是一个重大问题。传统上，研究人员专注于媒体访问控制(Media Access Control，MAC)层的安全性。但是，在MAC层，仅数据帧被加密，而控制帧和标头没有保护。一旦管理信息被盗，机密信息就很容易被窃听。随着移动互联网的发展，高层加密技术可能不足，甚至不适用。物理层安全利用无线信道特性来提高无线通信系统的保密性能，这已经成为一种流行方式。更因为毫米波天线尺寸小，可以大规模集成，而多天线技术的应用，使得物理层安全性得到了极大的增强。

在窃听场景中，窃听者一般是被动的，即不发送信号，所以基站不知道它们的位置信息和信道状态信息，为了对这种场景建模，现有学者利用随机几何理论将窃听者的位置分布建模成一个泊松点过程。现有研究利用毫米波传播环境的稀疏多径和散射，基于扩展的Saleh-Valenzuela(SV)信道模型，在信道中波束数有限的前提下，分别到达窃听者和合法用户的波束是有限的，并且其中有部分波束是既能到达窃听者，又能到达合法用户的，这些波束被称为公共波束。有作者分析公共波束数的发生概率，并以此分析系统的安全性能。但这些分析中窃听者是静态的，并且窃听能力只由跟窃听者跟基站的距离决定。并且只考虑了公共波束的分布是连续的情况下，但是当空间中有障碍物时，连续分布的公共波束场景不再成立。此外，是否所有波束都对系统安全速率的提升有帮助，这是一个问题，因为所选择的波束越多，被窃听的概率越大，虽然选择的波束越多，会提高系统速率，但不一定会提高系统安全速率。

发明内容

本发明考虑窃听者随机分布场景下，考虑窃听者具有一定学习能力的情况：成功窃听会给窃听者一个正反馈，失败的窃听会给窃听者一个负反馈。在这种情况下，基于Markov迭代模型，对窃听概率进行更新，并在此基础上得到系统安全容量最大的通信传输策略。

本发明的技术方案是：

一种毫米波的安全传输方法，假设通信系统中，基站具有N_t根天线，天线间间距为d，基站发送信号到合法用户，窃听者随机分布且窃听者成功的窃听会得到一个正反馈，失败的窃听得到一个负反馈，假设能到达合法用户的波束数为L_d，合法用户能接收到的波束索引集合为Ω_d；其特征在于，所述安全传输方法包括以下步骤：

S1、获取到达合法用户的每条波束角度宽度ω_i：

其中，i∈Ω_d是波束的索引值，ψ表示波束角度的正弦值，定义为：第i个波束角度的正弦值ψ_i：

其中，λ是波长；

S2、定义每条波束的初始被窃听的概率为：