[发明专利]时间反转多用户安全传输系统中预处理滤波器的优化方法

说明书

本发明公开了一种时间反转多用户安全传输系统中预处理滤波器的优化方法，发送端同时向两个用户发送两个独立的数据流，两用户的信息需要相互保密。根据互惠原则将两个发送滤波器的联合优化问题转换为各滤波器的独立优化问题，进一步将其转换为寻找最大特征值及其对应的特征向量的问题，并通过迭代算法进行求解。本发明通过采用时间反转传输技术，利用发送预处理滤波器和多径信道实现安全传输，以提高保密传输和速率为目标对预处理滤波器进行优化设计，可获得更好的系统安全传输性能。

技术领域

本发明涉及信息通信领域，具体是利用时间反转技术来设计预处理滤波器最大化系统的保密和速率来实现信息的安全传输。

背景技术

无线通信已成为我们日常生活中不可或缺的一部分，然而无线网络的开放性和广播性使其容易受到恶意活动的攻击。因此，确保只有预期用户才能访问机密数据，保证无线网络传输信息的安全性仍然是一个至关重要的问题。提高信息传输安全性的传统方法是在协议栈上层中使用加密技术来保护用户数据安全，即牺牲复杂度来换取安全性。而物理层安全是利用无线信道的互异性、多径性、空间唯一性等特征在物理层提高系统安全性的方法。物理层安全是通过探索物理层传输媒介的随机性在物理层上实现信息的安全传输。与上层实现的加密技术相比，物理层安全具有一些特点。它是利用无线信道的物理特性应用合适的编码和信号处理技术来保证消息的机密性，并且还能保证机密消息只能被预期的接收机正确解码。另外，物理层安全技术的实现方式比较方便。因此物理层安全技术可以作为对传统加密技术的补充，对上层加密信息在无线传输过程中形成有力的保护，从而有效提高无线通信的安全性。物理层安全旨在利用无线信道的特性来提高合法接收端相对窃听端的信号质量优势差异，进而实现安全通信。这其中最重要的方法之一是利用发送端配备的多天线提供的空间自由度，采用波束赋形将信号指向合法接收端来增强目的端的信号质量，同时抑制窃听端的信号强度。波束赋形可以被视为空间滤波器，其本质是对经由不同发射天线发送的信号进行加权，使得在接收机处的信号相干叠加，它可以根据信道状态信息、网络拓扑结构进行设计。文献[Zhao P,Zhang M,Yu H,et al.Robust beamforming designfor sum secrecy rate optimization in MU-MISO networks[J].IEEE Transactions onInformation Forensics and Security,2015,10(9):1812-1823.]研究了多输入单输出(Mingle-Input Single-Output，MISO)多用户场景下以最大化网络保密和速率为目标的波束赋形设计，利用半定规划和泰勒展开的一阶近似技术将原问题转化为凸优化问题，从而得到优化问题的最优解。在承载信息的信号之上叠加发射人工噪声或干扰信号降低窃听者的接收信号质量是另一种增强安全性能的重要方法。人工噪声一般需要与多天线技术结合使用，利用多个发射天线提供的空间自由度，通过空间波束成形联合控制人工噪声和信号的发射方向，优化保密性能。无论是波束赋形还是人工噪声都需要在系统配备多天线的情况下才能够获得较好的安全性能。