利用人工噪声提高miso安全通信系统安全速率的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信的物理层安全领域，特别是设及利用人工噪声提高MIS0安全 通信系统安全速率的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 无线通信技术已经融入到了人们生活中的各个部分，给人们的工作和生活带来了 巨大变革。人们在享受无线通信技术带来的便捷的同时，也面临着各种各样的困扰。其中， 安全通信便是无线通信面临的巨大挑战。由于越来越多的私人和商业信息通过无线通信网 络进行传输，信息安全也就变得越来越重要。而无线通信的广播特性使得窃听甚至截获信 息都变得相对容易。只要拥有合适的接收设备，任何人都可W侦听本地区的所有无线传输， 而且运种侦听极难被发现。
[0003] 对于存在窃听者的无线通信系统中的安全通信问题，传统的解决方法包括设计有 效的编码和利用公共信道发送密钥。信息论的无线通信安全主要是利用物理层的特性，如 衰落，噪声等来提高通信的安全。由于物理层的安全机制和上层的安全机制是独立的，所W 把物理层的安全策略应用于上层的密钥保护措施中，使得无线通信系统的安全性得到进一 步提高。特别是密钥管理上，如果密钥的传输考虑到物理层的安全机制，那么将会进一步提 高密钥管理的安全性，从而提高整个通信的安全。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要提供一种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的方法和 系统。
[0005] -种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的方法，包括：
[0006] 发射端将发送信号叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息包括所述发送 信号和所述人工噪声；
[0007] 发射端发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为：
[000引 tr(Su+Sv)<P
[0009] 其中，s"=抵[U叫to为发送信号的协方差矩阵、Sv=抵为人工噪声的 协方差矩阵;P为所述发送端的最大发射功率；
[0010] 能量接收端接收无线能量，能量接收端接收到的无线能量为：
[0011] g;(s"+s、）g>a
[0012] 其中，Q为能量接收端接收到的无线能量;g为能量信道矩阵；
[0013] 根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述发送信号的协方差矩阵、信息信道矩阵和 窃听信道矩阵，假定发射端知晓信息信道、能量信道和窃听信道的完美信道状态，计算信息 接收端获取的安全容量为：
[0014]
[001引其中，R为安全容量，hs为信息信道矩阵，he为窃听信道矩阵；
[0016] 根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵Su和所述人工噪声的协方差 矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下，最大化获得的安全速率。
[0017] 在其中一种实施方式中，所述优化所述发送信号的协方差矩阵Su和所述人工噪声 的协方差矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下，最大化可W获得 的安全速率的步骤包括：
[0018] 根据所述发射端的发射功率约束和所述能量接收端接收的无线能量W及所述安 全容量将利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的表示为第一优化问题，所述第一 优化问题为：
[0019]
[0020] 引入松弛变量II，将所述第一优化问题转化为第二优化问题，所述第二优化问题 为：
[0021]
[0022] 其中，log2il为发射端与窃听端的最大的互信息，通过改变η，得到所述最大化可W 获得的安全速率。
[0023] 在其中一种实施方式中，所述通过改变II，得到所述最大化可W获得的安全速率的 步骤包括：
[0024] 设置η Μ ;
[00巧]根据所述安全容量大于或等于0，发信送号的协方差矩阵Su t 0，W及化(Su) < Ρ， 得到η的上界，并根据η的上界，将所述第二优化问题简化为第Ξ优化问题；
[00%]其中，η的上界为：
[0027] η< ι+Ρ| |hs| p.
[0028] 所述第Ξ优化问题为：
[0029]
[0030] 引入变量Γ和Σ，根据化arnes-Cooper变换，将所述第Ξ优化问题转换为第四优 化问题，所述第四优化问题为：
[0031]
[0032] 其中，变量Γ和Σ满足条件Su= Γ/θ，5ν=Σ/^θ，目>0.
[0033] 使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量η进行一维的线性捜索得到所 述第四优化问题的解（Γ °，Σ°，θ°)，并根据所述第四优化问题的解、变量Γ和Σ的满足条件 得到协方差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。
[0034] 在其中一种实施方式中，所述使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量 η进行一维的线性捜索得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°)，并根据所述第四优化问题 的解、变量Γ和Σ的满足条件得到协方差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解的步 骤包括：
[0035] 基于半正定规划的最优一维线性捜索的算法，所述η的求解方程为：
[0036]
[0037] 其中，f (η)为Wn为变量的函数，f (η)的优化问题为：
[00；3 引
[0039] 对变量η在其取值范围内进行一维的线性捜索，得到所述f (η)的优化问题的解，使 所述f(n)达到最大值，得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°);
[0040] 根据所述第四优化问题的解（Γ °，Σ °，θ°)、所述变量Γ和Σ的满足条件，得到协方 差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。
[0041 ] -种利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的系统，包括：
[0042] 信息处理模块，用于将发送信号叠加到人工噪声中得到携带信息，所述携带信息 包括所述发送信号和所述人工噪声；
[0043] 发射端模块，用于发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为：
[0044] tr(Su+Sv) <P
[0045] 其中，
为发送信号的协方差矩阵
对人工噪声的 协方差矩阵;P为所述发送端的最大发射功率；
[0046] 能量接收模块，用于接收无线能量，能量接收端接收到的无线能量为：
[0047]
[0048] 其中，Q为能量接收端接收到的无线能量;g为能量信道矩阵；
[0049] 安全容量计算模块，用于根据所述人工噪声的协方差矩阵、所述发送信号的协方 差矩阵、信息信道矩阵和窃听信道矩阵，假定发射端知晓信息信道、能量信道和窃听信道的 完美信道状态，计算信息接收端获取的安全容量为：
[(K)加 ]
[0051] 其中，R为安全容量，hs为信息信道矩阵，he为窃听信道矩阵；
[0052] 安全速率最大化模块，用于根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵Su 和所述人工噪声的协方差矩阵Sv，使得信息接收端在发射功率和能量口限约束的条件下， 最大化获得的安全速率。
[0053] 在其中一种实施方式中，所述安全速率最大化模块包括：
[0054] 第一优化单元，用于根据所述发射端的发射功率约束和所述能量接收端接收的无 线能量W及所述安全容量将利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的表示为第一 优化问题，所述第一优化问题为：
[0化5]
[0056] 第二优化单元，用于引入松弛变量II，将所述第一优化问题转化为第二优化问题， 所述第二优化问题为：
[0化7]
[005引其中，log巧为发射端与窃听端的最大的互信息；
[0059] 安全速率计算单元，用于通过改变n，得到所述最大化可W获得的安全速率。
[0060] 在其中一种实施方式中，所述安全速率计算单元，包括：
[0061] 设置单元，用于设置η>?;
[0062] 第Ξ优化单元，用于根据所述安全容量大于或等于0,发信送号的协方差矩阵 S|, to，W及tr(Su) <ρ，得至Ijn的上界，并根据η的上界，将所述第二优化问题简化为第Ξ优 化问题，
[0063] 其中，η的上界为：
[0064] η< 1+ρ| |hs| p.
[00化]所述第Ξ优化问题为：
[0066]
[0067] 第四优化单元，用于引入变量Γ和Σ，根据化arnes-Cooper变换，将所述第Ξ优化 问题转换为第四优化问题，所述第四优化问题为：
[006引
[0069] 其中，变量 Γ 和 Σ满足条件 Su= Γ/θ，5ν=Σ/^θ，θ>〇.
[0070] 最优解计算单元，用于使用半正定规划的最优一维线性捜索的算法对变量η进行 一维的线性捜索得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°)，并根据所述第四优化问题的解、 变量Γ和Σ的满足条件得到协方差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。
[0071 ]在其中一种实施方式中，所述最优解计算单元，具体用于：
[0072] 基于半正定规划的最优一维线性捜索的算法，所述η的求解方程为：
[0073]
[0074] 其中，f (η)为Wn为变量的函数，f (η)的优化问题为：
[0075]
[0076] 对变量η在其取值范围内进行一维的线性捜索，得到所述f (η)的优化问题的解，使 所述f(n)达到最大值，得到所述第四优化问题的解（Γ°，Σ°，θ°);
[0077] 根据所述第四优化问题的解（Γ °，Σ °，θ°)、所述变量Γ和Σ的满足条件，得到协方 差矩阵Su和人工噪声的协方差矩阵Sv的最优解。
[0078] -种MIS0安全通信系统，包括发送端、信息接收端、能量接收端、窃听端、W及上述 的利用人工噪声提高MIS0安全通信系统安全速率的系统。