[发明专利]一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法及其系统

说明书

本发明公开了一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法及其系统，其方案是：发射机之间共享信道状态和数据信息；目标与干扰通信对分别设计预编码向量与滤波向量；目标通信发射机引入功率分配因子α和安全因子β，构造maxSRIM信号；再通过遍历得到使系统安全速率最大的α和β值，并根据该α和β值计算maxSRIM信号的预编码向量，目标通信发射机构造maxSRIM信号，将其与期望信号一同向目标通信接收机发送；最后目标通信接收机从接收混合信号中恢复出目标通信的期望数据。本发明通过对目标通信发射机的发射功率进行合理分配，能够最大化系统的安全速率，用于目标通信接收机遭受干扰，且受到窃听威胁情况下的数据传输。

技术领域

本发明属于通信技术领域，主要设计一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法， 具体是一种实现无线安全和消除干扰对期望通信的影响的方法，能够在已知窃听者信道 信息的情况下最大化系统的安全速率，可应用于多种无线通信系统。

背景技术

随着信息技术的快速发展以及移动终端设备的广泛使用，无线通信技术已经全面应 用于商业、工作、娱乐等活动中。由于无线信道的广播特性，无线空中接口对于所有用户都是开放的，这使得通信内容容易受到恶意用户的窃听。物理层安全(Physical LayerSecurity,PLS)作为一种很有前景的技术概念被提出，它通过利用无线信道的噪声、随机衰落等特性来保证信道中的信号不被非法窃听，目前物理层安全技术已经成为无线通信安全领域的一个重要研究方向。

PLS是对传统基于密钥的安全机制的补充，传统的密钥加密方法以Shannon的安全模型为基础，该模型假设信道中没有噪声和干扰，数据发送端和接收端通过使用共同的 密钥对信息进行加密和解密来实现信息的保密性，当密钥的数量与消息相同时，理论上 可以实现完全保密。然而，在无线网络中，密钥加密方法会产生大量的密钥，如何对密 钥进行安全有效的管理、分发和维护都面临着巨大的挑战。此外，随着量子力学的发展， 量子计算会使窃听者拥有更强大的计算能力，可能导致未来基于密钥加密的方法无法获 得足够的保密性。

Wyner A D.The wire-tap channel[J].Bell system technical journal,1975,54(8):1355- 1387(窃听信道)，研究了不使用密钥的信息理论安全，并提出了点对点通信的窃听信道 模型，证明了实现安全通信的条件是目标接收方与信源之间的信道条件优于窃听方与信 源之间的信道条件。Nandan N,Majhi S,Wu H C.Secure beamforming forMIMO-NOMA- based cognitive radio network[J].IEEE Communications Letters,2018,22(8):1708-1711(基 于MIMO-NOMA的认知网络中的安全波束形成)，设计了一种下行迫零波束成形技术， 可以使基站发出的信号在邻近小区以及本小区内的非目标通信接收机处的信息泄露为 零，从而实现上述区域内的安全通信。Liu Z,Liu J,Kato N,et al.Divide-and-conquer based cooperative jamming:Addressing multiple eavesdroppers inclose proximity[C]//IEEE INFOCOM 2016-The 35th Annual IEEE InternationalConference on Computer Communications.IEEE,2016:1-9(分治式协作干扰：近距离应对多个窃听者)，针对存在 多个窃听者，并且窃听者位置未知的场景，提出一种利用协作干扰对窃听者分而治之的 物理层安全方案，该方案将待发送消息编码分为多个编码块并依次发送，并为每个编码 块的传输设置一个干扰机，可以使窃听者无法获得全部的编码块，从而实现安全传输。 He B,She Y,Lau V K N.Artificial Noise Injection for SecuringSingle-Antenna Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2017,66(10):9577-9581(单天线系统的人工噪 声注入)，提出一种应用于单天线系统的人工噪声方案，根据该方案，目标通信接收机在 数据传输开始前先广播一个伪随机人工噪声，目标通信发射机接收到的该人工噪声并将 其与目标信号一同发送，由于目标接收机已知发射机发送的人工噪声，因此可以消除人 工噪声对自己的影响，而人工噪声却会对窃听者产生干扰，从而保证通信的安全。Zhang W,Chen J,Kuo Y,et al.Artificial-Noise-AidedOptimal Beamforming in Layered Physical Layer Security[J].IEEE CommunicationsLetters,2018,23(1):72-75(分层物理层安全中的 人工噪声辅助最优波束成形)，针对包含具有不同安全级别的消息和用户的通信场景， 提出了一种人工噪声辅助的波束成形方案，利用基于连续凸逼近的算法获得最优的数据 预编码以及人工噪声的协方差矩阵，能够在使低安全等级的信息传输达到一定保密容量 的前提下，最大限度地改善高安全等级信息的安全性能。