[发明专利]基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法

说明书

本发明公开了一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，本发明提出的安全通信方法的主要思路为，在第一阶段(S1)首先设计保密用户的波束成形参数，尽量降低偷听端的SINR中的有用信号S的能量。而在第二阶段(S2),合理利用系统的多用户干扰，利用系统本身的多用户干扰进一步降低偷听端的干扰信号I的分量。通过上述两个阶段，最大化地降低偷听端的信干噪比SINR。此外，本方法和人工噪声方法的不同点还在于，本方法提出利用系统本身的自有的多用户干扰，通过增强偷听端干扰分量，来提升系统的安全性。多用户干扰信号除了作为对偷听的干扰外，还携带了非保密用户的传输信息。对于人工噪声方法，人工噪声信号往往消耗了相当部分的能量，而仅仅作为对偷听系统的干扰信号。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法。

背景技术

WLAN和蜂窝网络是近20年间最为流行和成功的商用的无线通信网络，而随着VR，车联网，云应用等技术的不断发展，对作为管道支撑的无线通信技术也提出了更高的标准和要求。其中，多天线技术MIMO因其空间分集，波束成形等空间复用的技术特性，可以在现行频带划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统本身的安全性。基于MIMO多天线的无线物理层安全(PHY Security)通信技术研究方兴未艾。物理层安全的基本原理在于，不同接收端的无线信道特性具有随机性，因此，合法接收端和非法偷听端的信道特性往往具有不同的随机分布特性，因此，基于接收端信道和偷听端信道可以差异化的设计出合适的波束成形。在保证多个合法用户既可以按照给定的通信服务质量QoS标准下正常通信的前提的同时，最大程度的降低偷听端的接收指定用户信号的信号强度。

为了度量多用户无线通信系统的通信质量，我们采用最为广泛采用的信干噪比SINR来衡量发送信号在对应的接收端的信号优劣，其中，S表示在指定端的接收/测量的有用信号功率，I表示接收/测量到的干扰信号功率，N表示和带宽和收发机有关的噪声的功率，综上，SINR实际上表示了有用信号S和无用信号，即干扰I和噪声N的比值。在该衡量标准下，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过波束成形技术，通过波束成形等空间复用技术，最大化的差异化合法通信接收端和非法偷听端的SINR，尽可能的提升保密通信容量。

现有的MIMO安全通信研究主要集中在多入单出通信系统(MISO)，具体的方法主要有如下几种：

Khisti等提出了一种基于GSVD分解的MIMO波束成形设计方法(参见文献：KhistiA,Wornell G W.Secure transmission with multiple antennas I:The MISOME wiretapchannel[J].IEEE Transactions on Information Theory,2010,56(7):3088-3104.)。在信道未知的情况下，Liao等提出了一种基于人工噪声传输的方法(参见文献：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扰的MIMO波束成形设计方法(参见文献：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.)。上述方法虽然，针对多天线系统提出了多种保密波束成形的设计方法，但是主要针对多入单出的系统，现有技术中在通信过程中发送端和接收端均配备多天线的情况均没有涉及到。