一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法与流程

本发明涉及保密通信领域，与传统的基于加密和编码的方案不同，本发明使用基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法来优化同一传输方向，不同传输距离上的用户与窃听者间的安全传输速率。

背景技术：

物理层安全技术作为保障无线通信安全的有效手段获得了越来越多的关注与研究。与传统的通过编码和加密技术来保证通信安全的策略不同，物理层安全技术利用物理层的方法，通过优化目标用户与窃听者之间的传输速率差(即安全速率)来保证通信安全。

目前，提高安全速率的常用方法包括人工噪声法和波束成形法等。但是，这些传统方法都基于一个重要的假设，即目标用户和窃听者两者的信道状态信息无关。但是，在新一代毫米波通信系统中，由于毫米波具有方向性传播的特点，当目标用户和窃听者传输方向对齐的时候，信道不相关的假设一般很难成立，导致波束成形、人工噪声等传统方法失效。

在频控阵通信技术中，通过对各天线的载波频率施加频率偏移，使得阵列传输波束具有距离分辨能力，从而能够区分位于同一传输方向不同传输距离的目标用户和窃听者，弥补传统物理层通信安全方法(如波束形成和人工噪声等)的局限性。

目前，有人采用基于线性递增频率偏移策略的频控阵安全通信方法，阵列各天线采用线性递增频率偏移策略，并通过联合优化频率偏移参数和传输波束来实现安全速率的最大化。该线性递增频率偏移策略可以达到安全速率的理论最优值，但同时也存在一定的局限。例如，为了避免发生目标响应的频率去相关效应，一般会限制各天线传输频率偏差的上限值。而在线性递增频率偏移方案中，相邻天线间的最优频率偏移值与目标用户及窃听者的传输距离差成反比。那么，当目标用户与窃听者距离很近时，相邻天线间的频率偏移值较大，则线性递增频率偏移的累计值就可能超过阵列容忍的频率偏移上限，从而无法达到预期的效果，影响物理层安全的性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在任意频率偏移策略下，联合优化各天线频率偏移和传输波束的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法，包括步骤：

(1)设置初始化参数；

(2)根据初始化参数，计算在预先设定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，以得到天线发射频率向量；

(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出任意频率偏移的方案，使得频率偏移设置更加灵活，即使在非常有限的频率偏移范围内也能达到很好的安全通信性能；

2.在目标用户与窃听者距离足够近的情况下，传统线性递增频率偏移方案在一定的频率偏移范围约束下无法达到预期的安全速率，影响物理层安全的性能，本发明通过优化并设定每一根天线的频率，可以较好地解决此类问题；

3.本发明使用联合优化各天线频率偏移和传输波束的方法，对天线传输波束进一步优化，可以进一步提高系统的安全速率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，设置初始化参数包括：初始化参数r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分_u别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距ru,离r，e,θ_u和θ_e分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；

初始化信源天线数M；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f_c；

根据公式初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；

初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ²。

进一步，所述步步骤(2)包括以下步骤：

(21)初始化迭代次数k＝0，m＝(k mod M)+1，其中，(k mod M)表示k除以M的余数；初始化可行点使得向量f^(k)的每个分量f_i^(k)(i＝1,2,...,M)均在[f_c,f_c+ΔF]范围内；初始化算法迭代计算精度ε，其中ε是一个预先设定的常数，计算目标函数值其中，为第m根天线传输信号的相位因子；（22）更新，其具体包括：

(221)初始化n＝1；

(222)若n＝m，则

其中，κ为斜率参数，ζ为中心点参数，δ为偏移量参数，执行步骤(225)；否则，执行步骤(223)；

(223)计算斜率参数

(224)判定是否满足，若满足，则

其中，[δ_m,n]⁺＝max{0,δ_m,n}；

否则，若则

其中分别表示ω向正数方向取整数和负数方向取整数；

(225)若n＝M，执行步骤(226)；否则，令n＝n+1，返回步骤(222)；

(226)更新

判断是否成立，若成立，则令

判断是否成立，若成立，则令

(23)令

利用更新后的频率向量计算

(24)判断是否成立，若成立，

则k＝k+1，m＝(k mod M)+1，返回步骤(22)；

否则，输出最优解其中f^*＝f^(k+1)。

采用上述进一步方案的有益效果是，这种任意频偏方式，使得频率偏移设置更加灵活，即使在非常有限的频率偏移范围内也能达到很好的安全通信性能。

进一步，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)计算频控阵波束矢量，分别表示为目标用户和窃听者对应的频控阵传输信道矢量，分别根据公式

计算目标用户和窃听者信道矢量的第m个分量，其中m＝1,2,...M；

(32)分别根据目标用户与窃听者的公式

计算目标用户与窃听者的信道协方差矩阵，其中分别表示h_u,h_e的共轭转置向量，

根据公式计算中间变量矩阵

其中，I_M×M是大小为M×M的单位矩阵；

(33)计算最优波束成形加权向量，根据公式

计算目标用户与窃听者的频控阵波束成形向量，其中w^*为M×1的向量，其第m个分量为其中表示向量ξ的共轭转置向量，且λ_Σ和v_Σ分别为矩阵Σ的最大特征值和与其相对应的特征向量；sgn{λ_Σ}为符号函数，若λ_Σ分别取正数、零和负数，sgn{λ_Σ}的值分别取1、0和-1，

[sgn{λ_Σ}]⁺＝max{0,sgn{λ_Σ}}

(34)当载波频率取得最优值频控阵波束成形加权向量取得最优值时，根据公式

R_s＝log(1+λ_Σ[sgn(λ_Σ)]+)

计算系统的安全速率。

采用上述进一步方案的有益效果是，同时采用波束成形技术，对波束优化，使得进一步系统提高提高安全速率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明涉及保密通信领域，与传统的基于加密和编码的方案不同，本发明使用基于频控阵波束赋形的物理层安全通信方法来优化同一传输方向，不同传输距离上的用户与窃听者间的安全传输速率，其包括以下步骤。

(1)设置初始化参数，其初始化参数包括r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分_u别表示目标用户与窃听者和信源天线之间的空间距ru,离r，e,θ_u和θ_e分别表示目标用户与窃听者和信源天线之间连线与正北方向的夹角；

初始化信源天线数M；每根天线的最大频率偏移量为ΔF，信号参考载频为f_c；

根据公式初始化阵列天线之间的间距，其中，c表示电磁波传播速率；

初始化系统总功率上限P及通信系统中的噪声方差σ²；

(2)根据初始化参数，计算在一定频率偏移范围约束下的最优频率偏移，得到天线发射频率向量；其包括以下步骤：

(21)初始化迭代次数k＝0，m＝(k mod M)+1，其中，(k mod M)表示k除以M的余数；初始化可行点使得向量f^(k)的每个分量f_i^(k)(i＝1,2,...,M)均在[f_c,f_c+ΔF]范围内；初始化算法迭代计算精度ε，其中ε是一个预先设定的常数，计算目标函数值其中，为第m根天线传输信号的相位因子；(22)更新其具体包括：

(221)初始化n＝1；

(222)若n＝m，则

其中，κ为斜率参数，ζ为中心点参数，δ为偏移量参数，执行步骤(225)；否则，执行步骤(223)；

(223)计算斜率参数

(224)判定是否满足，若满足，则

其中，[δ_m,n]⁺＝max{0,δ_m,n}；

否则，若则

其中分别表示ω向正数和负数方向取整数；

(225)若n＝M，执行步骤(226)；否则，令n＝n+1，返回步骤(222)；

(226)更新

判断是否成立，若成立，则令

判断是否成立，若成立，则令

(23)令

利用更新后的频率向量计算

(25)判断是否成立，若成立，

则k＝k+1，m＝(k mod M)+1，返回步骤(22)；

否则，输出最优解其中f^*＝f^(k+1)。

(3)根据所述天线发射频率向量，利用矩阵分解技术计算最优的阵列传输波束向量，并计算系统的安全速率；

其包括以下步骤：

(31)计算频控阵波束矢量，分别表示为目标用户和窃听者对应的频控阵传输信道矢量，分别根据公式

计算目标用户和窃听者信道矢量的第m个分量，其中m＝1,2,...M；

(32)分别根据目标用户与窃听者的公式

计算目标用户与窃听者的信道协方差矩阵，其中分别表示h_u,h_e的共轭转置向量，

根据公式计算中间变量矩阵

其中，I_M×M是大小为M×M的单位矩阵，

(33)计算最优波束成形加权向量，根据公式

计算目标用户与窃听者的频控阵波束成形向量，其中w^*为M×1的向量，其第m个分量为其中，表示向量ξ的共轭转置向量，且λ_Σ和v_Σ分别为矩阵Σ的最大特征值和与其相对应的特征向量；sgn{λ_Σ}为符号函数，若λ_Σ分别取正数、零和负数，sgn{λ_Σ}的值分别取1、0和-1，

[sgn{λ_Σ}]⁺＝max{0,sgn{λ_Σ}}

(34)当载波频率取得最优值频控阵波束成形加权向量取得最优值时，根据公式R_s＝log(1+λ_Σ[sgn(λ_Σ)]⁺)，计算系统的安全速率。

本发明采用任意频率偏移方案，即仅规定每根天线的频率偏移范围，而不对天线间频率偏移的变化规律进行限制，相对于线性递增频率偏移策略而言，本发明提出的频率偏移策略更加灵活，即使在非常有限的频偏范围内也能达到很好的安全通信性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。