[发明专利]公共交通中基于协作干扰的无线物理层安全增强方法

说明书

本发明提出一种公共交通中基于协作干扰的无线物理层安全增强方法，实现了公共交通工具上的用户与基站之间的安全通信。为了实现这个目的，我们提出一种基于协作干扰的优化方案来获取最佳的安全性能，即设计最佳的波束成形向量和干扰协方差矩阵使得安全速率最大。然后，将我们提出的方案与现有技术方案进行仿真比较。仿真结果表明，相比其他方案，我们方案的安全性能更好。

技术领域

本发明涉及无线通信、物理层安全技术领域。

背景技术

由于无线媒介的广播特性，基于无线信道的通信过程往往容易被未经授权的接收机窃听，这给无线通信系统的安全传输带来了巨大的挑战。因此，信息安全问题在无线通信领域中显得尤为重要。除了军事、金融和医疗等敏感行业对信息安全一直有较大的需求外，未来智能交通运输行业对信息安全的需求也日益增长。随着国家公共交通事业的发展，高铁、地铁和城际列车等已成为人们日常出行方式，并且人们在出行时间使用手机等通讯设备进行通信很是普遍，但同时可能存在不法分子对通信信息的窃听，因此，为了防止通信信息被窃听，提高公共交通上的通信安全显得十分重要。

不同于利用传统的密钥加密机制来实现通信安全，物理层安全技术为无线通信安全领域的研究提供了一种新思路。它通过利用物理信道的唯一性和互易性来实现信息加密、生成密钥、辨识授权用户等，可以作为更高层安全技术的一个补充，能够极大地增强整个通信系统的安全性能。Wyner已经证明了实现物理层安全通信的条件：主链路(从源到目的地)的信道容量高于窃听链路(从源到窃听者)的信道容量。如果相反，则意味着窃听者成功截获源传输的机密信息。现在的物理层安全技术研究主要是以窃听信道模型为基础，涵盖人工噪声、方向调制和协作干扰等技术。人工噪声通常由配备多根天线的传输节点产生，目的是使得窃听信道恶化。方向调制的机理是通过将机密信息直接发送到期望的接收机来实现物理层安全。然而，在城市公共交通场景中，利用方向调制技术难以实现安全通信，因为基站距离车辆较远，从技术角度来说，它难以产生承载秘密信息的窄波束来定向识别车辆上同一节车厢中的多个移动节点。相反，协作干扰技术更适用于这样的场景，因为由同一辆车中的乘客携带的移动设备可以作为提供帮助的协作节点，协作干扰技术的原理是通过多个协作节点产生人工噪声信号来干扰窃听者接收秘密信息，而尽量不影响目标用户。现有的文献中利用协作干扰实现通信安全的具体方案有迫零法(Dong L,Han Z,Petropulu AP,et al.Improving wireless physical layer security via cooperating relays[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(3):1875-1888.)和QoSD法(Ma H,Cheng J,Wang X,et al.Robust MISO Beamforming With Cooperative Jamming forSecure Transmission From Perspectives of QoS and Secrecy Rate[J].IEEETransactions on Communications,2017,PP(99):1-1.)等。迫零法是使得目标用户受到的干扰为0的约束下最大化窃听者受到的干扰。而QoSD法是在目标用户的SINR不低于某个阈值的约束下，最小化窃听者的SINR。二者从本质上来说都是在干扰机制下，通过最小化窃听者的SINR来提高安全速率，但窃听者的SINR相比目标用户的SINR一般都很小，因此对于安全速率的改善并不明显。

发明内容

针对公共交通上隐存的通信安全问题，我们提出公共交通中基于协作干扰的无线物理层安全增强方法，其目的是实现公共交通上目标用户与基站之间的安全通信。