[发明专利]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

说明书

本发明涉及一种利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法和系统，该方法对于合法用户和窃听者都在同一个系统的情形，发送端可以在空间中生成特定方向的人工噪声，比如生成沿着窃听者信道方向的人工噪声来干扰窃听者。这样就可以利用窃听信道的信道状态信息，生成只针对窃听者进行干扰的人工噪声，而不需要在合法信道的整个零空间生成人工噪声，从而更有效地对窃听者进行干扰，防止信息被窃取。

技术领域

本发明涉及无线通信的物理层安全领域，特别是涉及利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法和系统。

背景技术

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，任何人都可以侦听本地区的所有无线传输，而且这种侦听极难被发现。

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，所以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

基于此，有必要提供一种利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法和系统。

一种利用人工噪声提高MISO安全通信系统安全速率的方法，包括：

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；

发射端发射所述携带信息，所述发射端的发射功率约束为：

tr(S_u+S_v)≤P

其中，为发送信号的协方差矩阵、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；

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：

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；

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：

其中，R为安全容量，h_s为信息信道矩阵，h_e为窃听信道矩阵；

根据所述安全容量优化所述发送信号的协方差矩阵S_u和所述人工噪声的协方差矩阵S_v，使得信息接收端在发射功率和能量门限约束的条件下，最大化获得的安全速率。

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S_u和所述人工噪声的协方差矩阵S_v，使得信息接收端在发射功率和能量门限约束的条件下，最大化可以获得的安全速率的步骤包括：

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以及所述安全容量将利用人工噪声提高MISO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：

引入松弛变量η，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：