[发明专利]一种多天线设备之间物理层安全通信方法

权利要求书

1.一种多天线设备之间物理层安全通信方法，其特征在于，包括：

保密设备发射机根据第一信道状态信息生成预编码向量，并根据所述预编码向量生成人工噪声信号；

保密设备接收机根据所述第一信道状态信息计算得到保密信号检测向量，并根据所述保密信号检测向量对保密信号进行检测，以及对蜂窝用户信号进行消除；

基站接收机根据第二信道状态信息计算得到蜂窝用户信号检测矩阵，并根据所述蜂窝用户信号检测矩阵对所述蜂窝用户信号进行检测，以及对所述保密信号和所述人工噪声信号进行消除；

保密设备发射机根据所述预编码向量和所述保密信号检测向量计算得到保密中断概率，并根据所述保密中断概率计算得到有效保密速率，并根据所述有效保密速率计算得到最优保密传输速率，并根据所述最优保密传输速率进行物理层安全编码；

所述保密设备发射机根据第一信道状态信息生成预编码向量的过程包括：

保密设备发射机根据所述第一信道状态信息计算得到辅助零空间，并根据所述辅助零空间计算得到等效信道，并将所述等效信道进行特征值分解获得所述预编码向量；

所述保密设备发射机根据所述第一信道状态信息计算得到辅助零空间，具体如下：

式中，G₀是辅助零空间；H₀＝[h₁,h₂,...,h_M]是M个蜂窝用户的信道状态信息；I_N是秩为N的单位矩阵；N是保密设备发射机天线数目；(.)^H是共轭转置操作；

所述将所述等效信道进行特征值分解获得所述预编码向量，具体如下：

对进行特征值分解：

H₁＝G₀H

定义λ₁为最大的特征值，λ₁对应的特征向量为b，保密设备发射机使用b作为预编码向量；

式中，H₁是等效信道；U是特征向量组成的酉矩阵；Λ是特征值组成的对角矩阵；eig(.)是特征值分解操作；H是保密设备之间的信道状态信息；H₀和H的集合是第一信道状态信息；

所述根据所述预编码向量生成人工噪声信号，具体如下：

h₀＝wH

通过对辅助向量h₀奇异值分解，获得零空间矩阵G_u：

[U₀,S,V₀]＝SVD(h₀)

式中，U₀是h₀的左奇异矩阵；V₀是h₀的右奇异矩阵；S是奇异值组成的对角矩阵；SVD(.)是奇异值分解操作；V₀中零奇异值对应的向量构成h₀的零空间矩阵G_u，保密设备发射机生成随机信号z并注入到零空间G_u，得到人工噪声信号G_uz；

所述保密设备接收机根据所述第一信道状态信息计算得到保密信号检测向量，具体如下：

式中，w_b是保密信号检测向量；

所述基站接收机根据第二信道状态信息计算得到蜂窝用户信号检测矩阵，具体如下：

式中，W_b是蜂窝用户信号检测矩阵；G_c＝[g₁,g₂,...,g_M]是M个蜂窝用户到基站的上行信道状态信息；是秩为N_b的单位矩阵；N_b是基站接收机天线数目；norm(.)是对矩阵按列归一化操作；(.)^-1是对矩阵求逆操作；保密设备发射机到基站的干扰信道的信道状态信息被定义为矩阵G；G_b是一个过程变量；G和G_c的集合称为第二信道状态信息；

所述保密设备发射机根据所述预编码向量和所述保密信号检测向量计算得到保密中断概率，具体如下：

P_out(R_s)＝F_Z(z)

式中，P_out(R_s)是保密中断概率；R_s是保密传输速率；C_s是根据预编码向量和保密信号检测向量计算得到的保密容量；Φ_i是指中zⁱ的系数；Γ_n是N维向量的第n个元素；P是保密设备发射机发射功率，P₁,…,P_M是M个蜂窝设备的发射功率；σ_e是窃听端的噪声功率；

所述根据所述保密中断概率计算得到有效保密速率，并根据所述有效保密速率计算得到最优保密传输速率，具体如下：

式中，是有效保密速率；

通过对R_s一维搜索获得使所述有效保密速率最大的R_s，将所述使所述有效保密速率最大的R_s记为所述最优保密传输速率

所述根据所述最优保密传输速率进行物理层安全编码，具体如下：

其中，W是物理层安全编码空间的体积，生成W维晶格：

将分成2^K个陪集：

信息的码字s＝{s₁,...,s_i,...,s_K},s_i∈{0,1}与陪集一一映射完成晶格编码：

使用中晶格编码将保密信息发送给保密设备接收机。