[發(fā)明專利]利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201511034896.6
• 申請(qǐng)日: 2015-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN105491563B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃建理;郭曉斌;許愛(ài)東;董旭柱;陳華軍;陳富漢;陳立明;楊航;吳爭(zhēng)榮;袁小凱;張乾坤;黃文琦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司;中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心
• 主分類號(hào): H04W12/02
• 分類號(hào): H04W12/02;H04L25/02
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 周清華

本發(fā)明涉及一種利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的方法和系統(tǒng)，該方法對(duì)于合法用戶和竊聽者都在同一個(gè)系統(tǒng)的情形，發(fā)送端可以在空間中生成特定方向的人工噪聲，比如生成沿著竊聽者信道方向的人工噪聲來(lái)干擾竊聽者。這樣就可以利用竊聽信道的信道狀態(tài)信息，生成只針對(duì)竊聽者進(jìn)行干擾的人工噪聲，而不需要在合法信道的整個(gè)零空間生成人工噪聲，從而更有效地對(duì)竊聽者進(jìn)行干擾，防止信息被竊取。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線通信的物理層安全領(lǐng)域，特別是涉及利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)融入到了人們生活中的各個(gè)部分，給人們的工作和生活帶來(lái)了巨大變革。人們?cè)谙硎軣o(wú)線通信技術(shù)帶來(lái)的便捷的同時(shí)，也面臨著各種各樣的困擾。其中，安全通信便是無(wú)線通信面臨的巨大挑戰(zhàn)。由于越來(lái)越多的私人和商業(yè)信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，信息安全也就變得越來(lái)越重要。而無(wú)線通信的廣播特性使得竊聽甚至截獲信息都變得相對(duì)容易。只要擁有合適的接收設(shè)備，任何人都可以偵聽本地區(qū)的所有無(wú)線傳輸，而且這種偵聽極難被發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于存在竊聽者的無(wú)線通信系統(tǒng)中的安全通信問(wèn)題，傳統(tǒng)的解決方法包括設(shè)計(jì)有效的編碼和利用公共信道發(fā)送密鑰。信息論的無(wú)線通信安全主要是利用物理層的特性，如衰落，噪聲等來(lái)提高通信的安全。由于物理層的安全機(jī)制和上層的安全機(jī)制是獨(dú)立的，所以把物理層的安全策略應(yīng)用于上層的密鑰保護(hù)措施中，使得無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性得到進(jìn)一步提高。特別是密鑰管理上，如果密鑰的傳輸考慮到物理層的安全機(jī)制，那么將會(huì)進(jìn)一步提高密鑰管理的安全性，從而提高整個(gè)通信的安全。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要提供一種利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的方法和系統(tǒng)。

一種利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的方法，包括：

發(fā)射端將發(fā)送信號(hào)疊加到人工噪聲中得到攜帶信息，所述攜帶信息包括所述發(fā)送信號(hào)和所述人工噪聲；

發(fā)射端發(fā)射所述攜帶信息，所述發(fā)射端的發(fā)射功率約束為：

tr(S_u+S_v)≤P

其中，為發(fā)送信號(hào)的協(xié)方差矩陣、為人工噪聲的協(xié)方差矩陣；P為所述發(fā)送端的最大發(fā)射功率；

能量接收端接收無(wú)線能量，能量接收端接收到的無(wú)線能量為：

其中，Q為能量接收端接收到的無(wú)線能量；g為能量信道矩陣；

根據(jù)所述人工噪聲的協(xié)方差矩陣、所述發(fā)送信號(hào)的協(xié)方差矩陣、信息信道矩陣和竊聽信道矩陣，假定發(fā)射端知曉信息信道、能量信道和竊聽信道的完美信道狀態(tài)，計(jì)算信息接收端獲取的安全容量為：

其中，R為安全容量，h_s為信息信道矩陣，h_e為竊聽信道矩陣；

根據(jù)所述安全容量?jī)?yōu)化所述發(fā)送信號(hào)的協(xié)方差矩陣S_u和所述人工噪聲的協(xié)方差矩陣S_v，使得信息接收端在發(fā)射功率和能量門限約束的條件下，最大化獲得的安全速率。

在其中一種實(shí)施方式中，所述優(yōu)化所述發(fā)送信號(hào)的協(xié)方差矩陣S_u和所述人工噪聲的協(xié)方差矩陣S_v，使得信息接收端在發(fā)射功率和能量門限約束的條件下，最大化可以獲得的安全速率的步驟包括：

根據(jù)所述發(fā)射端的發(fā)射功率約束和所述能量接收端接收的無(wú)線能量以及所述安全容量將利用人工噪聲提高M(jìn)ISO安全通信系統(tǒng)安全速率的表示為第一優(yōu)化問(wèn)題，所述第一優(yōu)化問(wèn)題為：

引入松弛變量η，將所述第一優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為第二優(yōu)化問(wèn)題，所述第二優(yōu)化問(wèn)題為：