[发明专利]大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法

说明书

一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法，包括如下步骤，发送者与接受者和窃听者之间建立主信道与窃听信道；根据信道估计获取主信道CSI以及主信道和窃听信道的发射信噪比；根据发射信噪比计算出对应的信噪比的累计分布函数；根据累计分布函数计算出安全吞吐量和安全中断概率的函数，证明对于任意的功率分配因子，都存在唯一的冗余速率使安全吞吐量达到最优；通过黄金分割搜索法获取最优的冗余速率和分配因子。并通过安全吞吐量的函数求得最大的安全吞吐量。利用数学公式推导出安全吞吐量与冗余速率以及功率分配因子的关系，在安全中断概率的约束下，利用黄金分割搜索法求出最优的冗余速率以及功率分配因子，进而使得安全吞吐量达到最大。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法。

背景技术

无线通信的流量经历了前所未有的增长，预计将从2016年到2021年以47％的复合年增长率(CAGR)增长，到2020年，每月全球移动数据流量将达到30.6艾字节。越来越多的隐私数据将通过无线网络传输，无线传输介质的电磁特性和开放特性会给这些数据的安全通信带来威胁。

据申请人了解，传统的安全通信方法是通过复杂的数学运算来加密信号，寄希望于窃听者没有足够的运算能力。但随着智能硬件以及物联网的发展，这种需要密钥交换的加密方式已无法保证通信的安全。

物理层安全是一种不需要上层加密算法就能获得安全通信的信息理论方法，它利用了无线信道的物理特性，比如衰落、噪声、信道干扰等。常见的信道编码技术如维纳窃听编码、低密度奇偶校验码、极性码等在保障通信可靠性的同时也保证了安全性。

常见的物理层安全方法有波束成形法，通过调节天线阵列因子使得发射波束聚焦到合法接收者的方向保证了通信安全；天线选择技术，通过在众多的发射天线中选择部分天线发射，增加了随机性，造成了窃听方向用户的星座图的扰乱。

前述的方法都是主动增加合法接收者的信道质量，除此之外，还可以通过分配一定的功率给噪声，联合有用的信号一起发射出去，达到故意干扰窃听者的目的。而在众多的人工噪声方法中，有些方法在确定传输参数时需要过于复杂的计算。有些方法的性能比较低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法，利用严格的数学公式推导出安全吞吐量与冗余速率以及功率分配因子的关系，在安全中断概率的约束下，利用黄金分割搜索法求出最优的冗余速率以及功率分配因子，进而使得安全吞吐量达到最大。

为了达到以上目的，提供一种大规模天线阵中基于人工噪声的窃听编码方法，包括如下步骤：

发送者与接受者之间建立主信道，并与窃听者之间建立窃听信道；

根据信道估计获取主信道CSI以及主信道和窃听信道的发射信噪比；

根据主信道和窃听信道的发射信噪比计算出对应的信噪比的累计分布函数；

根据累计分布函数计算出安全吞吐量和安全中断概率的函数，证明对于任意的功率分配因子，都存在唯一的冗余速率使安全吞吐量打到最优；

通过黄金分割搜索法获取最优的冗余速率和分配因子，并通过安全吞吐量的函数求得最大的安全吞吐量，

发送者的发射信号矢量x由信息信号x_I和(N-1)×1的噪声信号x_N组成，x_N中每个元素的方差为χ_N，发送者的发射信号功率P_t中发射给主信道的功率占比为η(0≤η≤1)，则主信道的信号功率为χ_I＝ηP_t，当同时传输信息信号x_I和噪声信号x_N时，可得波束赋形矩阵为：

W＝[w_I W_N]；