本發(fā)明涉及保密通信領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的基于加密和編碼的方案不同，本發(fā)明使用基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法來優(yōu)化同一傳輸方向，不同傳輸距離上的用戶與竊聽者間的安全傳輸速率。

背景技術(shù)：

物理層安全技術(shù)作為保障無線通信安全的有效手段獲得了越來越多的關(guān)注與研究。與傳統(tǒng)的通過編碼和加密技術(shù)來保證通信安全的策略不同，物理層安全技術(shù)利用物理層的方法，通過優(yōu)化目標用戶與竊聽者之間的傳輸速率差(即安全速率)來保證通信安全。

目前，提高安全速率的常用方法包括人工噪聲法和波束成形法等。但是，這些傳統(tǒng)方法都基于一個重要的假設(shè)，即目標用戶和竊聽者兩者的信道狀態(tài)信息無關(guān)。但是，在新一代毫米波通信系統(tǒng)中，由于毫米波具有方向性傳播的特點，當目標用戶和竊聽者傳輸方向?qū)R的時候，信道不相關(guān)的假設(shè)一般很難成立，導(dǎo)致波束成形、人工噪聲等傳統(tǒng)方法失效。

在頻控陣通信技術(shù)中，通過對各天線的載波頻率施加頻率偏移，使得陣列傳輸波束具有距離分辨能力，從而能夠區(qū)分位于同一傳輸方向不同傳輸距離的目標用戶和竊聽者，彌補傳統(tǒng)物理層通信安全方法(如波束形成和人工噪聲等)的局限性。

目前，有人采用基于線性遞增頻率偏移策略的頻控陣安全通信方法，陣列各天線采用線性遞增頻率偏移策略，并通過聯(lián)合優(yōu)化頻率偏移參數(shù)和傳輸波束來實現(xiàn)安全速率的最大化。該線性遞增頻率偏移策略可以達到安全速率的理論最優(yōu)值，但同時也存在一定的局限。例如，為了避免發(fā)生目標響應(yīng)的頻率去相關(guān)效應(yīng)，一般會限制各天線傳輸頻率偏差的上限值。而在線性遞增頻率偏移方案中，相鄰天線間的最優(yōu)頻率偏移值與目標用戶及竊聽者的傳輸距離差成反比。那么，當目標用戶與竊聽者距離很近時，相鄰天線間的頻率偏移值較大，則線性遞增頻率偏移的累計值就可能超過陣列容忍的頻率偏移上限，從而無法達到預(yù)期的效果，影響物理層安全的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在任意頻率偏移策略下，聯(lián)合優(yōu)化各天線頻率偏移和傳輸波束的方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

一種基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法，包括步驟：

(1)設(shè)置初始化參數(shù)；

(2)根據(jù)初始化參數(shù)，計算在預(yù)先設(shè)定頻率偏移范圍約束下的最優(yōu)頻率偏移，以得到天線發(fā)射頻率向量；

(3)根據(jù)所述天線發(fā)射頻率向量，利用矩陣分解技術(shù)計算最優(yōu)陣列傳輸波束向量，并計算系統(tǒng)的安全速率。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明提出任意頻率偏移的方案，使得頻率偏移設(shè)置更加靈活，即使在非常有限的頻率偏移范圍內(nèi)也能達到很好的安全通信性能；

2.在目標用戶與竊聽者距離足夠近的情況下，傳統(tǒng)線性遞增頻率偏移方案在一定的頻率偏移范圍約束下無法達到預(yù)期的安全速率，影響物理層安全的性能，本發(fā)明通過優(yōu)化并設(shè)定每一根天線的頻率，可以較好地解決此類問題；

3.本發(fā)明使用聯(lián)合優(yōu)化各天線頻率偏移和傳輸波束的方法，對天線傳輸波束進一步優(yōu)化，可以進一步提高系統(tǒng)的安全速率。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。

進一步，設(shè)置初始化參數(shù)包括：初始化參數(shù)r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分_u別表示目標用戶與竊聽者和信源天線之間的空間距ru,離r，e,θ_u和θ_e分別表示目標用戶與竊聽者和信源天線之間連線與正北方向的夾角；

初始化信源天線數(shù)M；每根天線的最大頻率偏移量為ΔF，信號參考載頻為f_c；

根據(jù)公式初始化陣列天線之間的間距，其中，c表示電磁波傳播速率；

初始化系統(tǒng)總功率上限P及通信系統(tǒng)中的噪聲方差σ²。

進一步，所述步步驟(2)包括以下步驟：

(21)初始化迭代次數(shù)k＝0，m＝(k mod M)+1，其中，(k mod M)表示k除以M的余數(shù)；初始化可行點使得向量f^(k)的每個分量f_i^(k)(i＝1,2,...,M)均在[f_c,f_c+ΔF]范圍內(nèi)；初始化算法迭代計算精度ε，其中ε是一個預(yù)先設(shè)定的常數(shù)，計算目標函數(shù)值其中，為第m根天線傳輸信號的相位因子；（22）更新，其具體包括：

(221)初始化n＝1；

(222)若n＝m，則

其中，κ為斜率參數(shù)，ζ為中心點參數(shù)，δ為偏移量參數(shù)，執(zhí)行步驟(225)；否則，執(zhí)行步驟(223)；

(223)計算斜率參數(shù)

(224)判定是否滿足，若滿足，則

其中，[δ_m,n]⁺＝max{0,δ_m,n}；

否則，若則

其中分別表示ω向正數(shù)方向取整數(shù)和負數(shù)方向取整數(shù)；

(225)若n＝M，執(zhí)行步驟(226)；否則，令n＝n+1，返回步驟(222)；

(226)更新

判斷是否成立，若成立，則令

判斷是否成立，若成立，則令

(23)令

利用更新后的頻率向量計算

(24)判斷是否成立，若成立，

則k＝k+1，m＝(k mod M)+1，返回步驟(22)；

否則，輸出最優(yōu)解其中f^*＝f^(k+1)。

采用上述進一步方案的有益效果是，這種任意頻偏方式，使得頻率偏移設(shè)置更加靈活，即使在非常有限的頻率偏移范圍內(nèi)也能達到很好的安全通信性能。

進一步，所述步驟(3)包括以下步驟：

(31)計算頻控陣波束矢量，分別表示為目標用戶和竊聽者對應(yīng)的頻控陣傳輸信道矢量，分別根據(jù)公式

計算目標用戶和竊聽者信道矢量的第m個分量，其中m＝1,2,...M；

(32)分別根據(jù)目標用戶與竊聽者的公式

計算目標用戶與竊聽者的信道協(xié)方差矩陣，其中分別表示h_u,h_e的共軛轉(zhuǎn)置向量，

根據(jù)公式計算中間變量矩陣

其中，I_M×M是大小為M×M的單位矩陣；

(33)計算最優(yōu)波束成形加權(quán)向量，根據(jù)公式

計算目標用戶與竊聽者的頻控陣波束成形向量，其中w^*為M×1的向量，其第m個分量為其中表示向量ξ的共軛轉(zhuǎn)置向量，且λ_Σ和v_Σ分別為矩陣Σ的最大特征值和與其相對應(yīng)的特征向量；sgn{λ_Σ}為符號函數(shù)，若λ_Σ分別取正數(shù)、零和負數(shù)，sgn{λ_Σ}的值分別取1、0和-1，

[sgn{λ_Σ}]⁺＝max{0,sgn{λ_Σ}}

(34)當載波頻率取得最優(yōu)值頻控陣波束成形加權(quán)向量取得最優(yōu)值時，根據(jù)公式

R_s＝log(1+λ_Σ[sgn(λ_Σ)]+)

計算系統(tǒng)的安全速率。

采用上述進一步方案的有益效果是，同時采用波束成形技術(shù)，對波束優(yōu)化，使得進一步系統(tǒng)提高提高安全速率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明涉及保密通信領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的基于加密和編碼的方案不同，本發(fā)明使用基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法來優(yōu)化同一傳輸方向，不同傳輸距離上的用戶與竊聽者間的安全傳輸速率，其包括以下步驟。

(1)設(shè)置初始化參數(shù)，其初始化參數(shù)包括r_u,r_e,θ_u和θ_e，其中，r_u,r_e,分_u別表示目標用戶與竊聽者和信源天線之間的空間距ru,離r，e,θ_u和θ_e分別表示目標用戶與竊聽者和信源天線之間連線與正北方向的夾角；

初始化信源天線數(shù)M；每根天線的最大頻率偏移量為ΔF，信號參考載頻為f_c；

根據(jù)公式初始化陣列天線之間的間距，其中，c表示電磁波傳播速率；

初始化系統(tǒng)總功率上限P及通信系統(tǒng)中的噪聲方差σ²；

(2)根據(jù)初始化參數(shù)，計算在一定頻率偏移范圍約束下的最優(yōu)頻率偏移，得到天線發(fā)射頻率向量；其包括以下步驟：

(21)初始化迭代次數(shù)k＝0，m＝(k mod M)+1，其中，(k mod M)表示k除以M的余數(shù)；初始化可行點使得向量f^(k)的每個分量f_i^(k)(i＝1,2,...,M)均在[f_c,f_c+ΔF]范圍內(nèi)；初始化算法迭代計算精度ε，其中ε是一個預(yù)先設(shè)定的常數(shù)，計算目標函數(shù)值其中，為第m根天線傳輸信號的相位因子；(22)更新其具體包括：

(221)初始化n＝1；

(222)若n＝m，則

其中，κ為斜率參數(shù)，ζ為中心點參數(shù)，δ為偏移量參數(shù)，執(zhí)行步驟(225)；否則，執(zhí)行步驟(223)；

(223)計算斜率參數(shù)

(224)判定是否滿足，若滿足，則

其中，[δ_m,n]⁺＝max{0,δ_m,n}；

否則，若則

其中分別表示ω向正數(shù)和負數(shù)方向取整數(shù)；

(225)若n＝M，執(zhí)行步驟(226)；否則，令n＝n+1，返回步驟(222)；

(226)更新

判斷是否成立，若成立，則令

判斷是否成立，若成立，則令

(23)令

利用更新后的頻率向量計算

(25)判斷是否成立，若成立，

則k＝k+1，m＝(k mod M)+1，返回步驟(22)；

否則，輸出最優(yōu)解其中f^*＝f^(k+1)。

(3)根據(jù)所述天線發(fā)射頻率向量，利用矩陣分解技術(shù)計算最優(yōu)的陣列傳輸波束向量，并計算系統(tǒng)的安全速率；

其包括以下步驟：

(31)計算頻控陣波束矢量，分別表示為目標用戶和竊聽者對應(yīng)的頻控陣傳輸信道矢量，分別根據(jù)公式

計算目標用戶和竊聽者信道矢量的第m個分量，其中m＝1,2,...M；

(32)分別根據(jù)目標用戶與竊聽者的公式

計算目標用戶與竊聽者的信道協(xié)方差矩陣，其中分別表示h_u,h_e的共軛轉(zhuǎn)置向量，

根據(jù)公式計算中間變量矩陣

其中，I_M×M是大小為M×M的單位矩陣，

(33)計算最優(yōu)波束成形加權(quán)向量，根據(jù)公式

計算目標用戶與竊聽者的頻控陣波束成形向量，其中w^*為M×1的向量，其第m個分量為其中，表示向量ξ的共軛轉(zhuǎn)置向量，且λ_Σ和v_Σ分別為矩陣Σ的最大特征值和與其相對應(yīng)的特征向量；sgn{λ_Σ}為符號函數(shù)，若λ_Σ分別取正數(shù)、零和負數(shù)，sgn{λ_Σ}的值分別取1、0和-1，

[sgn{λ_Σ}]⁺＝max{0,sgn{λ_Σ}}

(34)當載波頻率取得最優(yōu)值頻控陣波束成形加權(quán)向量取得最優(yōu)值時，根據(jù)公式R_s＝log(1+λ_Σ[sgn(λ_Σ)]⁺)，計算系統(tǒng)的安全速率。

本發(fā)明采用任意頻率偏移方案，即僅規(guī)定每根天線的頻率偏移范圍，而不對天線間頻率偏移的變化規(guī)律進行限制，相對于線性遞增頻率偏移策略而言，本發(fā)明提出的頻率偏移策略更加靈活，即使在非常有限的頻偏范圍內(nèi)也能達到很好的安全通信性能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。