[发明专利]基于方向调制的无线网络最大化安全速率功率分配方法

说明书

本发明公开了一种基于方向调制的无线网络最大化安全速率功率分配方法，包括以下内容：建立方向调制基本模型；根据方向调制基本模型获取信道的安全速率；采用零空间投影构建人工噪声投影矩阵和有用信息波束成型向量；结合前述的安全速率以及人工噪声投影矩阵和有用信息波束成型向量获取关于功率分配因子的最大化安全速率函数；根据最大化安全速率函数求取使得安全速率最大的最佳功率分配因子，即完成最大化安全速率功率分配。本发明利用最大化安全速率准则求得最佳功率分配因子，求解方法更加简洁，能达到期望方向信噪比最大化、非期望方向信噪比较小的效果，且方法适用于任意人工噪声投影矩阵和有用信息波束成型向量给定的情形，适用范围比较广。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于方向调制的无线网络最大化安全速率功率分配方法。

背景技术

无线网络的安全性内涵广泛，包括机密性、完整性、身份认证、访问控制以及可用性等。从信息理论的角度来看，其沿用传统有线通信中的信息加密和解密技术，例如，数据加密标准和高级加密标准，上述无线保密问题已在上层协议栈的级别上进行了处理。然而，加密系统所需的安全信道及其安全协议仍然难以保障，其密钥的分配和管理也可能产生系统的安全漏洞。另一方面，由于此类技术主要取决于密钥算法的复杂度，随着计算能力和破译手段的不断提升，例如量子计算机的发展，经典的加密体制已不再适应现今对安全性能的提升需求。由于无线传输有广播的性质，如何保障隐私信息的安全性日益成为无线网络中十分重要的问题。作为一种新兴的无线网络物理层安全技术，方向调制受到了学术界和工业界的密切关注。

方向调制的原理为通过对发射阵元加入正确的相位偏移值，使得在数字调制后可以在期望方向上产生所需要的符号的幅度和相位，而在其他方向上幅度和相位都会存在失真，信息的传输得到了安全的保障。这种通过在射频端继续施加相位偏移进行调制的信号，能够在不同方向产生不同星座图，在物理波形上实现了加密作用，因而被称作方向调制信号。

在方向调制基本模型原理明确之后，论文“基于方向调制的无线安全传输基本原理、关键技术与未来展望”中认为功率分配是方向调制的关键技术，由于通信系统的发射机功率有限，合理地将功率分配给有用信号和人为噪声对通信系统的安全性能至关重要。之后论文“Power Allocation Strategy of Maximizing Secrecy Rate for SecureDirectional Modulation Networks”中为了利用算法地方式为功率分配的方法进行更加严谨的推导，提出了一种最大化安全速率(Maximizing secrecy rate,Max-SR)的OPA策略，给定DM发射机端的任意波束形成向量和AN投影矩阵，可以利用拉格朗日乘子法，推导出该PA策略的解析表达式。在有了严谨的推导功率分配的方法后，为了能使算法能够对通信系统的性能指标进行优化，论文“Alternating Iterative Secure Structure betweenBeamforming and Power Allocation for UAV-aided Directional ModulationNetworks”提出了一种基于SLNR的OPA策略，利用Max-SLNR方法设计波束成形向量与人为噪声投影矩阵，通过AIS计算出最佳功率分配因子。

但现有的方法中仍然存在着方向调制模型有用信息波束成形向量、人工噪声投影矩阵设计方面的不足，一是给定DM发射机端的波束形成向量和AN投影矩阵存在随机性；二是没有同时讨论非同谋窃听者和同谋窃听者的情况；三是对功率分配具有一定的随机性，并且优化问题经常是多变量问题，得到的结果不一定精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用安全速率和信噪比随功率分配因子变化的特定变化规律关系，比较功率分配因子典型值和优化方案下安全速率和信噪比，获取使得系统安全速率和信噪比最大的功率分配因子方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于方向调制的无线网络最大化安全速率功率分配方法，包括以下步骤：

步骤1、建立方向调制基本模型；