[发明专利]一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法

说明书

本发明公开一种基于毫米波通信的主动窃听环境下的波束成形优化方法，该方法将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型，以将传输簇中的路径映射成归一化阵列响应组成的酉矩阵U的列向量；基于凸优化理论计算出使系统安全速率最大化的自适应功率分配因子η^*；从酉矩阵U的列向量中对应于窃听者独自传播时对应的列向量，基于计算出的所述最优功率分配因子η^*，生成人工噪声波束赋形矩阵并发送信息信号。该方法针对毫米波信道的稀疏特性，将毫米波聚类射线信道模型转化为离散角度域信道模型进行分析，采用一种基于人工噪声波束成形的自适应传输方案，有效地提高通信系统的保密速率，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。

技术领域

本发明属于无线通信中物理层安全技术领域，具体涉及一种基于毫米波通信的主动窃听环境下波束成形优化方法。

背景技术

近年来，无线通信的发展使得人们可以随时随地接入无线通信网络。然而，无线传播的广播特性意味着传输范围内的所有节点都能接收到信源发出的信号，合法用户的信息容易被窃听用户获取。因此，保证无线通信的安全传输变得尤为重要。相对于传统的物理层方法，物理层安全旨在利用无线通信的物理层特性，如噪声、衰落等，以信息论中的理论为基础保证无线通信的安全性。

1975年Wyner首次定义了含噪的窃听信道模型，并且证明当窃听信道的信噪比比主信道低时可以实现完全的保密通信，并将不依靠密钥仍可以保证主信道信息可靠传输的速率定义为保密速率。进入20世纪末，MIMO技术的出现极大推动了无线通信技术的发展，多天线技术为无线通信物理层安全带来新的机遇和挑战。近年来，已有大量文献研究利用多天线技术提高物理层安全的保密速率。对于多天线系统来讲，以保密速率为目标，对发射信号进行空间分布设计是研究热点。在此类设计中，波束成形技术是其中的重要设计参数。波束成形技术通过将信息流引向合法用户来提高通信效率。而现有研究大多针对被动窃听场景，对于主动窃听场景，随着非法节点窃听能力的增强，通信场景中可能存在具有恶意破坏能力的主动窃听节点，这些窃听节点在窃听的同时破坏正常通信，对系统安全造成更大的威胁。噪声干扰是指非法节点自己或请求他人协作发射干扰信号，干扰合法接收方正常接收信号，以一种间接的方式实现自己增强窃听的目标。

如今，以极高的速率、极大的容量和极低的时延为特点及目标的5G网络业已步入商用化阶段，5G无线技术将通过一个灵活、可靠、安全的无线网络把所有应用、服务、事物联接到一起，进入万物移动互联的时代。5G网络统筹考虑全频段，即考虑利用具有连续大带宽的高频段(一般指6GHz以上的高频段)来满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，同时与中、低频联合组网来解决高频覆盖能力较弱的问题，实现全网覆盖。位于约30～300GHz的毫米波频段以其高可用带宽及可提供几Gbit/s速率的特点成为5G网络极具竞争力的高频候选频段，特别地，适合短距离传输的60GHz已被多个标准组进行了规范。保持通信的隐私性和安全性，一直是无线网络研究的关键问题之一，对于毫米波通信亦然。毫米波通信系统中物理层安全的主要特点有：

(1)由于高路损，毫米波传输距离较短。所以只有地理位置与合法用户较近的窃听者才有可能捕获有用信号；

(2)由于高定向波束的使用，窃听者接收到SNR可能会很低，从而无法在偷听到的消息中恢复有用信号；

(3)特别地，若窃听者位于毫米波通信链路上，可能会遮挡信号造成通信链路中断，这从另一个角度来说，也防止了信号被窃听。

因此，相对传统微波系统而言，毫米波系统可以提供更好的安全通信性能。然而，这并不意味着毫米波通信天然具有绝对的安全性。鉴于无线连接的普遍性，大量的敏感和机密信息，如金融数据、电子密码术和私人视频，通过毫米波无线通道进行传输。因此，提供安全服务仍然是毫米波网络设计和实现必须实现的首要任务之一。

发明内容