电力线通信系统的物理层通信方法和装置与流程

本发明涉及电力线通信技术领域，特别是涉及一种电力线通信系统的物理层通信方法和装置。

背景技术：

在电力输送基础设施上进行通信被称为电力线通信。电力线通信利用现有电力线进行高速数据传输，可极大节省成本和时间。由于电力线通信系统本质上是一个广播通信系统，其中的信息流被共享于用户间的通信网中，这意味着发射机发射的信号能够被所有的接收机获得。换句话说，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障。基于这种情形，如何确保信息的安全可靠传输就变得尤其重要。

传统的电力线通信一般可采用两种主要方式进行实现：一是在iso/osi系统上层编码实现；二是利用物理信道信息在物理层上实现。第一种方式，关注的是诸如数据加密标准或公钥加密算法等加密方法；而第二种方式利用了通信物理层时间/频率分集和用户的链接之间的特性差异来提供安全保障，这种方法被称为物理层安全。

然而，上述方式难以在有效保障合法用户通信的基础上彻底抑制或消除窃听者对电力线通信的威胁，导致电力线通信系统的安全性较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对电力线通信系统的安全性较低的问题，提供一种电力线通信系统的物理层通信方法和装置。

一种电力线通信系统的物理层通信方法，包括以下步骤：

根据发射预编码矩阵对有用信号进行编码，得到第一经编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵对人工噪声进行编码，得到第一经编码人工噪声，根据所述第一经编码发射信号和第一经编码人工噪声构造发射信号；

根据所述发射端与电力线通信系统的接收端之间的信道矩阵估算所述接收端的接收信号，计算所述接收信号的均方差，根据所述均方差计算接收解码矩阵的最优解，根据所述接收解码矩阵求解所述发射预编码矩阵的最优解和所述人工噪声编码矩阵的最优解；

根据所述发射预编码矩阵的最优解对所述有用信号进行编码，得到第二经编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对所述人工噪声进行编码，得到第二经编码人工噪声，根据所述第二经编码发射信号和第二经编码人工噪声构造最优发射信号，并根据所述最优发射信号进行通信。

一种电力线通信系统的物理层通信装置，包括：

编码模块，用于根据发射预编码矩阵对有用信号进行编码，得到第一经编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵对人工噪声进行编码，得到第一经编码人工噪声，根据所述第一经编码发射信号和第一经编码人工噪声构造发射信号；

解算模块，用于根据所述发射端与电力线通信系统的接收端之间的信道矩阵估算所述接收端的接收信号，计算所述接收信号的均方差，根据所述均方差计算接收解码矩阵的最优解，根据所述接收解码矩阵求解所述发射预编码矩阵的最优解和所述人工噪声编码矩阵的最优解；

通信模块，用于根据所述发射预编码矩阵的最优解对所述有用信号进行编码，得到第二经编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对所述人工噪声进行编码，得到第二经编码人工噪声，根据所述第二经编码发射信号和第二经编码人工噪声构造最优发射信号，并根据所述最优发射信号进行通信。

上述电力线通信系统的物理层通信方法和装置，通过加入人工噪声的方式干扰窃听者，根据均方差计算接收解码矩阵的最优解，从而得到发射预编码矩阵的最优解和人工噪声编码矩阵的最优解，最后根据上述两个最优解分别对有用信号和人工噪声编码，构造最优发射信号，使人工噪声不会干扰合法用户，在有效保障合法用户通信的基础上抑制了窃听者对电力线通信的威胁，提高了通信安全性。

附图说明

图1为一个实施例的电力线通信系统的物理层通信方法流程图；

图2为一个实施例的具有窃听者的电力线通信系统的示意图；

图3为一个实施例的电力线通信系统的物理层通信装置的结构框图；

图4为2×2输入输出系统中最大功率约束情况下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；

图5为2×3输入输出系统中最大功率约束情况下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；

图6为2×4输入输出系统中最大功率约束情况下合法接收端和窃听用户端的性能比较曲线图；

图7为2×2输入输出系统中固定期望mse目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图；

图8为2×3输入输出系统中固定期望mse目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图；

图9为2×4输入输出系统中固定期望mse目标值下合法接收端和窃听用户端的性能变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明提供一种电力线通信系统的物理层通信方法，可包括以下步骤：

s1，根据发射预编码矩阵对有用信号进行编码，得到第一经编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵对人工噪声进行编码，得到第一经编码人工噪声，根据所述第一经编码发射信号和第一经编码人工噪声构造发射信号；

参考图2，图2示出了具有窃听者的电力线通信系统模型。p、n、pe分别代表电力线中的火线、零线和地线，任意二线的差分电压皆可用于信号的传输。然而，由基尔霍夫定律可知，三个差分信号之和为零，故本发明可选取其二作为有效传输信号。

为了提高保密容量，可以在待发射的有用信号中加入一个用于干扰窃听者的噪声矢量，即人工噪声，发射信号xa可构造为：

xa＝ts+γz(1)

式中，s为有用信号，t为发射预编码矩阵，z为人工噪声矢量，γ为人工噪声编码矩阵。

s2，根据所述发射端与电力线通信系统的接收端之间的信道矩阵估算所述接收端的接收信号，计算所述接收信号的均方差，根据所述均方差计算接收解码矩阵的最优解，根据所述接收解码矩阵求解所述发射预编码矩阵的最优解和所述人工噪声编码矩阵的最优解；

电力线上合法接收端与窃听者分别估计对发射数据流s进行估计，得到：

其中，和分别为合法接收端的接收信号的估计值，以及窃听者的接收信号的估计值，hb和he分别为发射端-合法接收端间和发射端-窃听者间的信道矩阵，rb和re分别为合法接收端和窃听者的接收解码矩阵，nb和ne分别为合法接收端和窃听者的零均值复高斯噪声。

在上述场景下，可采用所估计数据流的均方差(meansquareerror，mse)来度量合法接收端系统性能。定义如下的mse矩阵为合法接收端的接收信号与发射端的有用信号估计信号之间的误差矢量，即则均方差可记为：

式中，mseb(t,γ,rb)为所述接收信号的均方差，e{ee^h}表示ee^h的期望值，t为发射预编码矩阵，γ为人工噪声编码矩阵，rb为接收解码矩阵，hb为合法接收端的信道矩阵，i为单位矩阵，σn²为电力线传输通道上相应的零均值复高斯噪声矢量的方差，h表示共轭转置。

具体地，假设窃听者的窃听信道未知，对于发射端而言，最佳的策略是在保证合法接收端享受正常通信的同时，利用最大的发射功率沿着不会对合法接收端产生干扰的空间维数均匀地广播高斯噪声。特别地，对于所有可能的s和z，要求满足hbts⊥hbγz，因此上述条件即为合法接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间的正交性条件。只要保证在合法接收端的接收信号中的人工噪声与有用信号在空间上正交，这样人工噪声就可以在合法接收端消除。此外，发射端还应满足预先约定好的功率约束条件。在此基础上，可以以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间的正交性为第二约束条件，并以均方差最小化为目标函数建立第一函数模型；固定所述发射预编码矩阵和所述人工噪声编码矩阵，并求解所述第一函数模型，得到接收解码矩阵的最优解。具体地，上述第一函数模型可以表示为：

s.t.tr(tt^h)+tr(γγ^h)≤pa

其中pa为发射机预先设定的发射功率值，tr(·)表示求矩阵的迹。在求解上述第一函数模型时，可以首先固定发射预编码矩阵t和人工噪声编码矩阵γ，以此获得接收解码矩阵的最优解rb,opt。

具体地，假设发射预编码矩阵t和γ固定后，得出最佳线性接收解码矩阵rb,opt。最小化mse(t,γ,r)矩阵的最佳线性接收机为：

式(6)与线性mmse接收机相同，可以同时最小化mse矩阵的所有对角线元素，于是同时也最小化mseb(t,γ,rb)。σn²为电力线传输通道上相应的零均值复高斯噪声矢量的方差。

进一步地，在得到接收解码矩阵的最优解之后，可以将接收解码矩阵的最优解rb,opt代入均方差mseb(t,γ,rb)，进而得到均方差的最优解mseb,opt(t,γ)；以所述均方差的最优解的迹最小化为目标函数，并以有用信号的发射功率为第三约束条件建立第二函数模型；求解所述第二函数模型，得到发射预编码矩阵的最优解。

具体地，将式(6)带入式(4)可得合法接收端的mse矩阵的最优解：

σb²为合法接收端的零均值复高斯噪声矢量的方差。由于于是合法接收者的mse矩阵可进一步表示为：

根据式(8)，可建立如下第二函数模型：

mintr(i+σn^-2t^hh^hht)^-1(9)

s.t.tr(tt^h)≤p0

其中，p0为满足合法接收端给定均方差条件下的最大发射功率。

上述问题的最佳解决方案可表示为：

其中，v是一个半酉矩阵，其列元素为矩阵的b个递增排序的最大特征值对应的特征矢量，p为发射端对合法接收端的功率分配矩阵。进一步地，可以求解如下目标函数和约束条件来得到功率分配方案p：

s.t.1^tp≤p0,p≥0

其中，1^t是一个所有元素都为1的列向量，其中1^t的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的b个递增排序的最大特征值，b是整数，pi为第i个电力线通信信道上的发射功率。因此，由上可得topt。这里的1^tp≤p0是功率约束条件，即合法信道功率之和不大于p0。

最后，可通过选择γ为矩阵剩余的na-n个特征向量使得γ满足记为v′，即：

式中，γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，v′是由剩余的na-n个特征向量构成的矩阵，通过选择γ为矩阵剩余的na-n个特征向量使得γ满足记为v′，na是发射端电力线通信信道数目，n是用来发射有用信号的电力线通信信道数目，na-n是用来发射干扰噪声的电力线通信信道数目，na＞b，且pa是发射端总功率限制。

s3，根据所述发射预编码矩阵的最优解对所述有用信号进行编码，得到第二经编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对所述人工噪声进行编码，得到第二经编码人工噪声，根据所述第二经编码发射信号和第二经编码人工噪声构造最优发射信号，并根据所述最优发射信号进行通信。

在本步骤中，可利用步骤s2得到的topt和γopt，分别对有用信号和人工噪声进行编码，得到最优有用信号：

xa,opt＝topts+γoptz(13)

最后，可将该最优有用信号发送至合法接收端，实现发射端与合法接收端之间的通信。

编码模块10，用于根据发射预编码矩阵对有用信号进行编码，得到第一经编码发射信号，根据人工噪声编码矩阵对人工噪声进行编码，得到第一经编码人工噪声，根据所述第一经编码发射信号和第一经编码人工噪声构造发射信号；

参考图2，图2示出了具有窃听者的电力线通信系统模型。p、n、pe分别代表电力线中的火线、零线和地线，任意二线的差分电压皆可用于信号的传输。然而，由基尔霍夫定律可知，三个差分信号之和为零，故本发明可选取其二作为有效传输信号。

为了提高保密容量，可以在待发射的有用信号中加入一个用于干扰窃听者的噪声矢量，即人工噪声，发射信号xa可构造为：

xa＝ts+γz(1)

式中，s为有用信号，t为发射预编码矩阵，z为人工噪声矢量，γ为人工噪声编码矩阵。

解算模块20，用于根据所述发射端与电力线通信系统的接收端之间的信道矩阵估算所述接收端的接收信号，计算所述接收信号的均方差，根据所述均方差计算接收解码矩阵的最优解，根据所述接收解码矩阵求解所述发射预编码矩阵的最优解和所述人工噪声编码矩阵的最优解；

电力线上合法接收端与窃听者分别估计对发射数据流s进行估计，得到：

其中，和分别为合法接收端的接收信号的估计值，以及窃听者的接收信号的估计值，hb和he分别为发射端-合法接收端间和发射端-窃听者间的信道矩阵，rb和re分别为合法接收端和窃听者的接收解码矩阵，nb和ne分别为合法接收端和窃听者的零均值复高斯噪声。

在上述场景下，可采用所估计数据流的均方差(meansquareerror，mse)来度量合法接收端系统性能。定义如下的mse矩阵为合法接收端的接收信号与发射端的有用信号估计信号之间的误差矢量，即则均方差可记为：

式中，mseb(t,γ,rb)为所述接收信号的均方差，e{ee^h}表示ee^h的期望值，t为发射预编码矩阵，γ为人工噪声编码矩阵，rb为接收解码矩阵，hb为合法接收端的信道矩阵，i为单位矩阵，σn²为电力线传输通道上相应的零均值复高斯噪声矢量的方差，h表示共轭转置。

具体地，假设窃听者的窃听信道未知，对于发射端而言，最佳的策略是在保证合法接收端享受正常通信的同时，利用最大的发射功率沿着不会对合法接收端产生干扰的空间维数均匀地广播高斯噪声。特别地，对于所有可能的s和z，要求满足hbts⊥hbγz，因此上述条件即为合法接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间的正交性条件。只要保证在合法接收端的接收信号中的人工噪声与有用信号在空间上正交，这样人工噪声就可以在合法接收端消除。此外，发射端还应满足预先约定好的功率约束条件。在此基础上，可以以发射功率为第一约束条件，以接收端的人工噪声与接收端的有用信号之间的正交性为第二约束条件，并以均方差最小化为目标函数建立第一函数模型；固定所述发射预编码矩阵和所述人工噪声编码矩阵，并求解所述第一函数模型，得到接收解码矩阵的最优解。具体地，上述第一函数模型可以表示为：

s.t.tr(tt^h)+tr(γγ^h)≤pa

其中pa为发射机预先设定的发射功率值，tr(·)表示求矩阵的迹。在求解上述第一函数模型时，可以首先固定发射预编码矩阵t和人工噪声编码矩阵γ，以此获得接收解码矩阵的最优解rb,opt。

具体地，假设发射预编码矩阵t和γ固定后，得出最佳线性接收解码矩阵rbopt。最小化mse(t,γ,r)矩阵的最佳线性接收机为：

式(6)与线性mmse接收机相同，可以同时最小化mse矩阵的所有对角线元素，于是同时也最小化mseb(t,γ,rb)。

进一步地，在得到接收解码矩阵的最优解之后，可以将接收解码矩阵的最优解rb,opt代入均方差mseb(t,γ,rb)，进而得到均方差的最优解mseb,opt(t,γ)；以所述均方差的最优解的迹最小化为目标函数，并以有用信号的发射功率为第三约束条件建立第二函数模型；求解所述第二函数模型，得到发射预编码矩阵的最优解。

具体地，将式(6)带入式(4)可得合法接收端的mse矩阵的最优解：

σb²为合法接收端的零均值复高斯噪声矢量的方差。由于于是合法接收者的mse矩阵可进一步表示为：

根据式(8)，可建立如下第二函数模型：

mintr(i+σn^-2t^hh^hht)^-1(9)

s.t.tr(tt^h)≤p0

其中，p0为满足合法接收端给定均方差条件下的最大发射功率。

上述问题的最佳解决方案可表示为：

其中，v是一个半酉矩阵，其列元素为矩阵的b个递增排序的最大特征值对应的特征矢量，p为发射端对合法接收端的功率分配矩阵。进一步地，可以求解如下目标函数和约束条件来得到功率分配方案p：

s.t.1^tp≤p0,p≥0

其中，1^t是一个所有元素都为1的列向量，其中1^t的维数与p的列数相同，λi表示矩阵的b个递增排序的最大特征值，b是整数。因此，由上可得topt。这里的1^tp≤p0是功率约束条件，即合法信道功率之和不大于p0。

最后，可通过选择γ为矩阵剩余的na-n个特征向量使得γ满足记为v′，即：

式中，γopt为人工噪声编码矩阵的最优解，v′是由剩余的na-n个特征向量构成的矩阵，通过选择γ为矩阵剩余的na-n个特征向量使得γ满足记为v′，na是发射端电力线通信信道数目，n是用来发射有用信号的电力线通信信道数目，na-n是用来发射干扰噪声的电力线通信信道数目，na＞b，且

通信模块30，用于根据所述发射预编码矩阵的最优解对所述有用信号进行编码，得到第二经编码发射信号，根据所述人工噪声编码矩阵的最优解对所述人工噪声进行编码，得到第二经编码人工噪声，根据所述第二经编码发射信号和第二经编码人工噪声构造最优发射信号，并根据所述最优发射信号进行通信。

在本模块中，可利用解算模块20得到的topt和γopt，分别对有用信号和人工噪声进行编码，得到最优有用信号：

xa,opt＝topts+γoptz(13)

最后，可将该最优有用信号发送至合法接收端，实现发射端与合法接收端之间的通信。

图4、图5和图6分别给出了2×2、2×3和2×4输入输出系统中，当pa＝20db且用户信道噪声方差和窃听信道方差均为0.7时，合法通信信道和窃听信道可达mse随期望mse目标值变化曲线。由图可知，对所提出的干扰噪声辅助的物理层安全策略，几种典型的多输入多输出电力线通信合法用户能够达到期望mse目标值，而窃听用户信道的mse总是高于合法用户信道的mse。说明采用基于人工噪声辅助的线性mmse联合收发优化算法可以在保障合法用户的mse同时又能最大程度恶化窃听用户的mse，从而提高数据的安全性。其中，上述m×n中的m表述发射端的电力线通道，n代表合法接收端的电力线通道。

图7、图8和图9分别给出了2×2、2×3和2×4输入输出系统中，当期望方差θb＝0.4，且合法接收者和窃听者信道噪声方差相等时，基于mmse(minimummeansquareerror，最小均方差)联合收发优化算法的可达mse性能随发射功率的变化曲线。由图可知，除去发射功率很小的情况，在未知窃听信道情况下，电力线通信合法用户均可达到期望mse目标值0.4，而窃听用户信道的mse会高出合法用户很多，而且随着发射功率的增大窃听用户信道的mse呈现上升趋势，这是因为通信传输有用信息的功率恒定，随着总发射功率的增大，发射噪声的功率也在增加，从而增强了对窃听信道的恶化程度，更好地实现了对电力线通信的的安全保护。在发射功率很小的情况下出现了窃听用户信道的mse小于合法用户信道的mse，这是因为了满足合法用户期望方差为θb＝0.4需要发射功率达到一定的值，当发射功率小于这个值时，所有功率将都用于发射数据流，此时无噪声产生。

本发明利用低压电力线物理层信道信息，将基于mmse的联合收发优化算法与人工干扰噪声策略相结合，在复杂低压电力线信道环境中，该方法不仅克服发送端未知窃听者信道信息的缺点，有效提高通信系统中合法接收端的均方误差(mse)性能，而且最大程度干扰窃听者的mse，使得系统更加安全可靠。本发明不仅保障合法用户通信，还能够从物理层面上解决电力线通信系统安全性的问题；并且该方法又可作为低压电力线通信系统上层所提供的编码安全的有效补充和加强。因此，本发明具有很好的实际应用前景。

本发明的电力线通信系统的物理层通信装置与本发明的电力线通信系统的物理层通信方法一一对应，在上述电力线通信系统的物理层通信方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于电力线通信系统的物理层通信装置的实施例中，特此声明。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。