[發明專利]基于多用戶多天線通信系統和保密波束成形設計的安全通信方法

有效

• 申請號: 201810068592.9
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108337023B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 李明;遆光宇;劉倩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04B7/0452
• 分類號: H04B7/0452;H04B7/06;H04B7/08;H04L29/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明公開了一種基于多用戶多天線通信系統和保密波束成形設計的安全通信方法，本發明提出的安全通信方法的主要思路為，在第一階段(S1)首先設計保密用戶的波束成形參數，盡量降低偷聽端的SINR中的有用信號S的能量。而在第二階段(S2),合理利用系統的多用戶干擾，利用系統本身的多用戶干擾進一步降低偷聽端的干擾信號I的分量。通過上述兩個階段，最大化地降低偷聽端的信干噪比SINR。此外，本方法和人工噪聲方法的不同點還在于，本方法提出利用系統本身的自有的多用戶干擾，通過增強偷聽端干擾分量，來提升系統的安全性。多用戶干擾信號除了作為對偷聽的干擾外，還攜帶了非保密用戶的傳輸信息。對于人工噪聲方法，人工噪聲信號往往消耗了相當部分的能量，而僅僅作為對偷聽系統的干擾信號。

技術領域

本發明涉及通信技術領域，尤其涉及一種基于多用戶多天線通信系統和保密波束成形設計的安全通信方法。

背景技術

WLAN和蜂窩網絡是近20年間最為流行和成功的商用的無線通信網絡，而隨著VR，車聯網，云應用等技術的不斷發展，對作為管道支撐的無線通信技術也提出了更高的標準和要求。其中，多天線技術MIMO因其空間分集，波束成形等空間復用的技術特性，可以在現行頻帶劃分下有效地提高通信有效性和可靠性。除了通信效率外，MIMO特有的波束成形也有助于提高通信系統本身的安全性。基于MIMO多天線的無線物理層安全(PHY Security)通信技術研究方興未艾。物理層安全的基本原理在于，不同接收端的無線信道特性具有隨機性，因此，合法接收端和非法偷聽端的信道特性往往具有不同的隨機分布特性，因此，基于接收端信道和偷聽端信道可以差異化的設計出合適的波束成形。在保證多個合法用戶既可以按照給定的通信服務質量QoS標準下正常通信的前提的同時，最大程度的降低偷聽端的接收指定用戶信號的信號強度。

為了度量多用戶無線通信系統的通信質量，我們采用最為廣泛采用的信干噪比SINR來衡量發送信號在對應的接收端的信號優劣，其中，S表示在指定端的接收/測量的有用信號功率，I表示接收/測量到的干擾信號功率，N表示和帶寬和收發機有關的噪聲的功率，綜上，SINR實際上表示了有用信號S和無用信號，即干擾I和噪聲N的比值。在該衡量標準下，基于MIMO的研究主要致力于，保密通信的主要研究方向在于通過波束成形技術，通過波束成形等空間復用技術，最大化的差異化合法通信接收端和非法偷聽端的SINR，盡可能的提升保密通信容量。

現有的MIMO安全通信研究主要集中在多入單出通信系統(MISO)，具體的方法主要有如下幾種：

Khisti等提出了一種基于GSVD分解的MIMO波束成形設計方法(參見文獻：KhistiA,Wornell G W.Secure transmission with multiple antennas I:The MISOME wiretapchannel[J].IEEE Transactions on Information Theory,2010,56(7):3088-3104.)。在信道未知的情況下，Liao等提出了一種基于人工噪聲傳輸的方法(參見文獻：Liao W C,Chang T H,Ma W K,et al.QoS-based transmit beamforming in the presence ofeavesdroppers:An optimized artificial-noise-aided approach[J].IEEETransactions on Signal Processing,2011,59(3):1202-1216.)，此外，Khandaker等提出了基于有益干擾的MIMO波束成形設計方法(參見文獻：Khandaker M R A,Masouros C,WongK K.Constructive interference based secure precoding[C]//Information Theory(ISIT),2017IEEE International Symposium on.IEEE,2017:2875-2879.)。上述方法雖然，針對多天線系統提出了多種保密波束成形的設計方法，但是主要針對多入單出的系統，現有技術中在通信過程中發送端和接收端均配備多天線的情況均沒有涉及到。