一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法及其系统
阅读说明：本技术 一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法及其系统 (Interference management method and system for maximizing safe data transmission rate ) 是由 李钊 吕品田 李君� 丁汉清 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses an interference management method and system for maximizing the transmission rate of safety data, and the scheme is as follows: sharing channel state and data information between transmitters; designing a precoding vector and a filtering vector for a target and interference communication pair respectively; introducing a power distribution factor alpha and a safety factor beta into a target communication transmitter to construct a maxSRIM signal; then, the alpha value and the beta value which enable the system safety rate to be maximum are obtained through traversal, the precoding vector of the maxSRIM signal is calculated according to the alpha value and the beta value, the maxSRIM signal is built by the target communication transmitting mechanism and is sent to the target communication receiver together with the expected signal; finally, the target communication receiver recovers the expected data of the target communication from the received mixed signal. The invention can maximize the safety rate of the system by reasonably distributing the transmitting power of the target communication transmitter, and is used for data transmission under the condition that the target communication receiver is interfered and is threatened by eavesdropping.)
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。
无线网络中除了存在安全问题，各类干扰也是影响无线网络性能的重要因素。传统 的干扰管理方法例如干扰对齐(Interference Alignment,IA)、干扰中和(Interference Neutralization,IN)、迫零(Zero-Forcing,ZF)接收等，通过抑制、消除、改变干扰来达到改 善目标通信质量的效果。随着研究的深入，人们开始尝试着利用环境中的干扰，例如干 扰再生，干扰能量收集等，在物理层安全方面的一些研究中，人们也尝试利用环境干扰 来实现安全通信。
综上所述，无线网络同时面临干扰与窃听威胁，而现有的安全管理方法由于未对干 扰进行处理，无法保证通信的可靠性，因此，设计兼顾通信可靠性(抗干扰)与信息保 密性(抗窃听)的传输方法具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种最大化安全数据传输速率的干扰管理方法(Maximum SecrecyRate Interference Management,maxSRIM)，该方法利用发射机之间的协作以及信号间的相 互作用，提高目标通信接收机的信号质量，同时对处于目标信号接收范围内的窃听者产生干扰，在保证目标通信接收机处的接收信噪比SNR(或信干噪比SINR)足够的情况下， 恶化窃听者的窃听信号质量，在已知窃听者信道信息的情况下最大化系统的安全速率， 提高信息传输的安全性。
本发明包括以下步骤：
(1)目标通信发射机和干扰通信发射机均与一个控制器相连，目标通信接收机估计自己与目标通信发射机之间的信道状态信息并反馈给目标通信发射机，干扰通信接收机估计自己与干扰通信发射机之间的信道状态信息并反馈给干扰通信发射机，目标通信发射机和干扰通信发射机通过控制器共享信道状态信息；窃听设备作为系统内合法用户，估计自己与目标通信发射机之间的信道状态信息并发送给目标通信发射机；
(2)目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道状态信息设计发射预编码向量与接收滤波向量；
(3)目标通信发射机根据发射预编码向量、接受滤波向量，确定最大化安全数据传输速率的干扰管理(maxSRIM)信号的最大可用功率PmaxSRIM；
(4)目标通信发射机根据调整最大可用功率PmaxSRIM以及功率分配因子α和安全因子β，计算maxSRIM信号的预编码向量ps,STIM，并构造使系统安全速率最大的maxSRIM 信号smaxSRIM，目标通信发射机将maxSRIM信号smaxSRIM与携带期望数据x0的目标通信信 号一同发给目标通信接收机，并使用smaxSRIM对目标通信接收机受到的干扰进行管理。
(5)目标通信接收机使用滤波向量f0从接收混合信号中恢复出数据x0，数据x0为目标通信发射机向目标通信接收机发送的期望数据。
本发明的设计思路是在保证目标通信接收机处的接收信噪比SNR(或信干噪比SINR)达到预设门限要求的前提下，将目标通信发射机的发射功率合理分配给maxSRIM 信号，从而使系统的安全传输速率最大化。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与现有技术相比，本发明在管理干扰，提高目标通信接收机的SNR(或SINR)的同时，还能够对环境中的窃听者造成干扰，恶化其窃听信号质量，从而同时提高目标通 信的有效性和机密性。
2、本发明由目标通信发射机进行maxSRIM信号的构造和发送，目标通信接收机处只需估计其与目标通信发射机之间的信道状态信息以及对接收信号进行滤波处理，无需其它信号处理工作，便于实现。
3、本发明通过遍历目标通信发射机处所有可能的功率分配情况，能够得到最大化系统安全速率的功率分配方案，从而实现更高的安全性。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明使用的无线局域网WLAN下行通信系统模型图。
图3是目标通信接收机Bob的接收信噪比门限γth不同时，maxSRIM方法得到的 Bob和Eve的速率以及安全速率随信噪比η的变化情况。
图4是目标通信接收机Bob的接收信噪比门限γth＝10dB时，maxSRIM方法与选 取其它非最优α和β值获得的系统安全速率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步描述。
1，参照图2，本发明采用包含目标通信发射机Alice、目标通信接收机Bob、窃听 者Eve以及一个或多个干扰通信对的WLAN下行通信场景作为系统模型。Alice与干扰 发射机Txk(k＝1,2...K)均与一个WLAN控制器相连，可以进行包括信道状态信息 (Channel StateInformation,CSI)，待发送数据在内的信息共享。假设所有发射机的发射功 率均为Pt，并且配备NT根发射天线。Bob和Eve的接收天线数相等，均为NR，由于作 为移动台的接收机相比于发射机受到更严格的成本、硬件等限制，可以假设NT≥NR， 定义从Alice到Bob之间的通信信道为HAB，Alice到Eve之间的通信信道为HAE，干扰 发射机Txk与Bob之间的干扰信道为HTkB，采用空间不相关瑞利平坦衰落信道模型，信 道矩阵的元素是服从独立同分布的零均值、单位方差的复高斯随机变量。假设HAB、HAE和HTkB相互独立，并且具有块衰落(Block fading)特性，即信道参数在由若干连续传输周 期组成的块中保持不变，在相邻块之间随机变化。系统中的所有发射机采用波束成形 (Beamforming,BF)的方式向其接收机发送一路信号，x0表示Alice发送给Bob的目标通 信数据，xk(k＝1,2…K)表示Txk发送给其对应接收机STAk的数据，满足 E(||x0||2)＝E(||xk||2)＝1，E(·)表示求数学期望。
参照图1，为了简单，假设Bob只受到一个干扰发射机(记为Tx)的干扰，本发明的实施步骤如下：
(1)发射机之间实现信道状态信息和数据信息的共享：
目标通信发射机和干扰通信发射机均与一个控制器相连，目标通信接收机估计自己与目标通信发射机之间的信道状态信息并反馈给目标通信发射机，干扰通信接 收机估计自己与干扰通信发射机之间的信道状态信息并反馈给干扰通信发射机，目 标通信发射机和干扰通信发射机通过控制器共享信道状态信息；窃听设备估计自己 与目标通信发射机之间的信道状态信息并发送给目标通信发射机；
(2)目标通信对和干扰通信对分别根据各自的信道状态信息设计发射预编码向量与接收滤波向量；
(3)目标通信发射机根据发射预编码向量、接收滤波向量确定最大化安全数据传输速率的干扰管理(maxSRIM)信号的最大可用功率PmaxSRIM；
(4)目标通信发射机根据调整最大可用功率PmaxSRIM以及功率分配因子α和安全因子β，计算maxSRIM信号的预编码向量ps,STIM，并构造使系统安全速率最大的maxSRIM 信号smaxSRIM，目标通信发射机将maxSRIM信号smaxSRIM与携带期望数据x0的目标通信信 号一同发给目标通信接收机，并使用smaxSRIM对目标通信接收机受到的干扰进行管理。
(5)目标通信接收机使用滤波向量f0从接收混合信号中恢复出数据x0，数据x0为目标通信发射机向目标通信接收机发送的期望数据。
本实施例中，目标通信发射机的发射信号除了目标信号还发射maxSRIM信号。
在上述实施例的基础上，步骤(3)中目标通信发射机计算maxSRIM信号预编码向量，包括有如下步骤：
(3a)目标通信发射机计算目标通信信号的方向dw＝HABp0/||HABp0||，以及干扰通信发射机发射的干扰i在目标通信信号上的投影分量其中是关于目标通信信号的投影矩阵，上标H表示复共轭，Pt,I表示干扰 通信发射机的发射功率，干扰与目标通信信号正交的分量为iQ＝i-iIn，干扰数据x1为干 扰通信发射机向干扰通信接收机发送的干扰数据，信道矩阵HAB为目标通信发射机对其 与目标通信接收机之间的信道矩阵，信道矩阵HTB为干扰通信发射机对其与干扰通信接 收机之间的信道矩阵，目标通信的发射预编码向量p0为目标通信发射机对其与目标通 信接收机之间的信道矩阵HAB进行奇异值分解，并取其右奇异矩阵的第一列向量的值， 干扰通信的发射预编码向量p1为干扰通信发射机对其与干扰通信接收机之间的信道矩 阵HTB进行奇异值分解，并取其右奇异矩阵的第一列向量的值；。
(3b)目标通信发射机根据根据干扰i在目标通信信号上的投影分量iIn，计算完全消除干扰在目标通信信号上的投影分量所需的功率
(3c)在目标通信接收机的信噪比需满足时，目标通信发射机计算出最小发射功率γth表示目标通信接收机正常解码信号所需的最小信噪比，信道矩阵HAB为目标通信接收机对其与目标通信发射机之间的信道矩阵， 目标通信的接收滤波向量f0为目标通信接收机对其与目标通信发射机之间的信道矩阵 HAB进行奇异值分解，并取其左奇异矩阵的第一列向量的值；
(3d)目标通信发射机根据其总的发射功率Pt,D以及目标通信信号最小发射功率Pw， 计算maxSRIM信号的可用功率PmaxSRIM＝Pt,D-Pw。
在上述实施例的基础上，步骤(4)中目标通信发射机构造maxSRIM信号，包括有 如下步骤：
(4a)目标通信发射机引入功率分配因子α和安全因子β，将maxSRIM信号表示 为当PmaxSRIM＜Pis时，设置βopt＝0，此时 smaxSRIM＝-αiIn，α的取值上限为目标通信发射机计算系统安 全速率RS＝max{RB-RE,0}，并在[0,αMAX]范围内通过遍历确定使RS最大的αopt，其中 RB＝log2(1+ξB)表示目标通信接收机处的数据传输速率，ξB表示目标通信接收机处的信 噪比(或信干噪比)，RE＝log2(1+ξE)表示窃听者处的数据传输速率，ξE表示窃听者处 的信噪比(或信干噪比)；
当PmaxSRIM≥Pis时，iIn可以被完全消除，遍历α∈[0,1]，其中当α∈[0,1)时，设置目标通信发射机计算系统安全速率RS＝max{RB-RE,0}，并在区间[0,1)内遍历使RS最大 的当α＝1时，设置此时smaxSRIM＝-iIn+βiQ，考虑到maxSRIM信号的发射 功率β的取值范围为β-≤β≤β+，其中 目标通信发射机计算 RS＝max{RB-RE,0}，并在[β-,β+]范围内通过遍历确定使安全速率RS最大的目标 通信发射机综合比较和获得的安全速率，选取使RS最大的作为αopt和βopt。βOpt表示选择当前设置的β
(4b)在已知窃听者与目标通信发射机之间的信道矩阵的情况下，目标通信发射机根据αopt和βopt计算maxSRIM信号的预编码向量构造并发送maxSRIM信号
在上述实施例的基础上，步骤(5)中目标通信接收机从接收混合信号中恢复出数据x0，包括有如下步骤：
(5a)目标通信接收机收到的包括maxSRIM信号、目标通信信号和干扰的混合信 号为等式右边第一项是目标通信信 号，第二项是maxSRIM信号，第三项是受到的干扰，第四项是目标通信接收机处的噪 声nB。
(5b)目标通信接收机使用接收滤波向量f0对接收到的混合信号进行滤波处理，当αopt＜1时，滤波后的估计信号为该等式右边第 二项为目标通信接收机处的残留干扰；当αopt＝1时，目标通信接收机受到的干扰被完全 消除，估计信号
本实施例haiti共一种应用以上所述最大化安全数据传输速率的干扰管理方法的通 信系统。
本发明的应用效果通过以下的仿真实验做进一步说明：
一、仿真条件：
目标通信发射机Alice向目标通信接收机Bob发送一路目标通信信号，Bob接收到来自一个干扰通信发射机Tx的干扰。窃听者Eve只能接收到来自Alice的信号，而不 会受到干扰通信发射机的干扰。Alice和Tx以及Bob和Eve配备NT＝NR＝2根天线，且 Alice和Tx的发射功率均为Pt，定义信噪比并设置η∈[0,20]dB。采用 蒙特卡洛仿真，通过随机生成5000组信道样本并在根据信道样本执行所提算法和用于 比较的算法，获得相应的速率性能样本，最后对求5000个速率样本求平均，得到如图3 和图4所示的仿真结果。
二、仿真内容：
在上述仿真条件下，用本发明方法得到Bob的接收信噪比门限γth不同时，maxSRIM方法获得的速率性能随η的变化情况，用RB和RE分别表示Bob和Eve的接收数据传输 速率，定义安全速率RS＝max{RB-RE,0}。如图3所示，RB和RS均随着η的增大逐渐增 大，而RE先增加，然后趋于稳定。当η较低时，为了达到γth，Alice需要将Pt中较多的 部分用于向Bob发送期望信号，分配给maxSRIM信号的功率较低，Eve收到的干扰较 小，因此RE会先增加。当η足够大的时候，Pt在使Bob的γ达到γth的同时，还有较多 的功率可用于maxSRIM信号，又因为maxSRIM的目标是使RS最大，因此maxSRIM可 以从提高RB和抑制RE两方面改善RS，当将功率用于maxSRIM信号以抑制RE的收益低 于将功率用于期望信号传输对RB的改善时，Alice会将更多的功率分配给期望信号传输。 因此RE随着η的增加先增大然后趋于稳定，而RB会随着η的增加而持续增大。
如图3所示，当γth＝10dB时，η＝0dB处的RB、RE和RS均为0，这是因为此时Alice 的发射功率不足以使Bob的接收信噪比/信干噪比达到γth＝10dB，所以Alice中止数据 传输，导致各个数据速率均为0。当η较低时，γth＝10dB的RB、RE和RS分别低于γth＝5 dB时的RB、RE和RS，这是因为当η较低时，Pt以较高的概率无法满足γ＝γth，并且γth越高，由于Pt不足而导致目标通信发射机Alice中止数据传输的概率越高，所以导致 γth＝10dB时低η区间的RB、RE和RS低于γth＝5dB时的结果。而随着η的增大，γth＝5 dB和γth＝10dB两种情况下得到的RB、RE和RS分别趋于相同，这是因为η足够大时， Alice可以提供足够的Pt，使maxSRIM方法可以满足γth＝5dB和γth＝10dB，并且，当 maxSRIM方案分配给期望信号的功率达到γth＝10dB所要求的最低的期望信号的功率 时，γth＝5dB的期望信号功率要求也同时被满足，所以η足够大时，maxSRIM方案得到 的用于确定期望信号和maxSRIM信号的分配功率的(αopt,βopt)能够同时满足γth＝5dB和 γth＝10dB的条件要求，因此在γth＝5dB和γth＝10dB条件下得到相同的速率性能。
如图4所示，当γth＝10dB时，将maxSRIM方法与其他选取非最优α和β值的方法 进行对比。如图所示，选取α1＝1，时得到的RS明显低于 maxSRIM方法得到的安全速率RS。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改 变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
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