[发明专利]基于ISAC系统的下行网络物理层安全优化方法

说明书

本发明提出基于ISAC系统的下行网络物理层安全优化方法。首先，本发明提出了在非完美窃听者CSI条件下结合ISAC感知能力的物理层安全建模方法，该种建模将ISAC感知能力同窃听者非完美CSI的范数边界结合。其次，本发明利用交替优化算法对优化变量进行解耦，化简为更简单的形式。最后，本发明利用连续凸近似算法解决了基站波束赋形辅助变量优化问题以及窃听者信干噪比辅助变量参数优化中的非凸特性，实现了下行网络中的物理层安全优化。本发明可以基于ISAC系统增强下行网络的安全性，在不同感知性能要求以及总发射功率情况下均具备优秀性能。

技术领域

本发明属于无线网络安全领域，具体涉及通信感知一体化系统中的物理层安全优化方法，是一种利用无线通信技术、最优化以及计算机科学与技术，基于通信感知一体化系统在非完美窃听者信道状态信息条件下实现物理层安全的优化方法。

背景技术

随着下一代无线通信技术在各种新兴产业中的应用，通信感知一体化(Integrated sensing and communication,ISAC)技术在物联网，车联网以及安全通信中发挥着越来越重要的作用。与此同时，敏感数据在未来无线通信网络的传输中将面临更多威胁，例如零日攻击，量子攻击，以及可见光或太赫兹通信中的物理层攻击。为了确保数据安全，物理层安全(Physical layer security,PLS)技术被视为一种轻量且自适应的解决方案。PLS技术利用电磁波信道的散射与叠加对抗潜在的窃听者。但非合作或被动窃听者信道状态信息(Channel state information,CSI)的获取方式并未得到妥善解决。而ISAC系统的感知能力则为在非完美窃听者CSI条件下实现鲁棒的安全通信提供了新范式。

目前已有的基于ISAC的安全通信研究主要集中在两个方面。其一为基于信噪比(Signal to noise ratio,SNR)的物理层安全增强。如在多输入多输出雷达中优化协方差矩阵以动态调整回声信号以及通信信号SNR。也有学者利用人工噪声降低窃听者接收信号质量，或通过智能反射面提高通信系统波束赋形增益，该种处理方式会为系统带来额外的软件以及硬件开销。其二为基于波束图案的物理层安全增强，如通过最小化实际波束图案和理论波束图案之间的均方根误差来实现波束赋形设计。该种方式也可以通过设计合理的波束宽度来实现广域的区域覆盖进而增强通信安全性。然而，无论是基于SNR或是波束图案的物理层安全增强方法，都不能从理论上刻画安全通信系统的帕累托边界。而且上述优化模型并没有将实际的感知能力融合进窃听者信道不确定度之中。总之，在窃听者非完美CSI条件下基于ISAC系统增强下行通信网络的物理层安全仍然是一个开放的问题。

发明内容

本发明目的是为了在窃听者非完美CSI条件下增强下行网络的安全性，而提出基于ISAC系统的下行网络物理层安全优化方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于ISAC系统的下行网络物理层安全优化方法，所述方法具体过程为：

步骤一：初始化参数，包括发射天线数量N_t，接收天线数量N_r，用户数量N_B，基站-Bob信道基站-窃听者信道估计值通信噪声方差雷达噪声方差窃听者反射因子α，交替优化算法迭代次数N_BCD，窃听者方位角估计值基站波束赋形辅助变量窃听者信干噪比辅助变量感知克拉美劳界辅助变量t⁰，S-procedure辅助变量连续凸近似算法最大迭代次数N_SCA，交替优化算法迭代次数索引n＝0和连续凸近似算法迭代次数索引m＝0；

步骤二：对非完美窃听者CSI条件下基于ISAC系统的下行网络物理层安全问题进行数学建模，该模型将ISAC感知能力整合入非完美CSI的范数边界之中；

所述CSI为信道状态信息；

ISAC为通信感知一体化系统；