基于大规模MIMO的岸-舰短波安全传输装置及方法

基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输装置及方法
技术领域
1.本发明涉及防窃听通信技术领域，具体涉及一种基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输装置及方法。


背景技术：

2.无线信道的开放性使得通信内容可能被窃听者窃听，这可能会对通信安全造成风险。随着无线通信领域的快速发展，用户对通信业务的安全性提出了更高的要求。因此，以实现信息安全传输为目的的物理层安全技术得到了广泛的研究。
3.大部分现有的工作基于无源窃听方案和有源窃听方案。对付无源窃听方案大多利用人工噪声，这能使得合法用户可以识别并过滤掉噪声而窃听者无法识别噪声，大大降低了窃听者用户的信干噪比。有源窃听场景中，窃听者通过向固定站发送和合法用户同样的导频的方式，使得固定站将波束对准窃听者而不是合法用户，从而窃听者能获得好的信号接收质量。同时，采用多点协同通信(comp)和多输入多输出(mimo)等技术可以为通信系统提供安全传输。多点协同被应用在异构网络安全覆盖、无人机安全通信、多波束卫星通信等领域。
4.以上的工作没考虑到同时采用多点协同通信的合作特性和mimo技术中信道在角度域的稀疏特性的进一步结合，往往都是分开进行的，这表明还存在别的提升通信系统的安全性的方面。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出了一种基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法，能够同时有效地利用mimo和comp的优点来解决反窃听问题，提出了一种在角域内的协同波束形成方法，并进一步利用mimo系统中容量的空间分布特性来提升安全性。具体如下：
6.一种基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输装置，包括：
7.描述模块，用于对基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；
8.建立模块，用于建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
9.预编码模块，用于求解每个固定站的预编码问题；
10.固定站选择模块，用于根据用户位置选择合适的固定站；
11.功率优化模块，用于优化固定站的发射功率。
12.一种基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输方法，包括如下步骤：
13.步骤1：对基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；
14.步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
15.步骤3：求解每个固定站的预编码问题；
16.步骤4：根据用户位置选择合适的固定站；
17.步骤5：进行所选固定站的功率优化。
18.本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
19.1、本发明的预编码设计可以最大化海面波大规模mimo系统遍历可达速率；
20.2、本发明的固定站选择设计一方面可以为用户选择合适的固定站，从而使得用户遍历可达速率最大化，另一方面，多固定站联合场景可以进一步增加遍历可达速率空间位置分布的稀疏性，进一步提升安全性能；
21.3、本发明的固定站发射功率设计可以在保证用户遍历可达速率的条件下降低固定站发射功率，从而降低窃听者的遍历可达速率，提升遍历可达安全速率。
附图说明
22.图1是基于岸舰通信的短波通信系统的结构示意图。
23.图2是不同固定站天线数条件下可达速率随频率的变化曲线图。
24.图3是不同固定站天线数条件下可达速率随频率的变化曲线图。
25.图4是不同固定站天线数条件下可达安全速率随天线阵元间隔的变化曲线图。
26.图5是不同固定站天线数条件下可达安全速率随固定站发射功率的变化曲线图。
27.图6是不同固定站天线数条件下可达速率的区域分布示意图。
具体实施方式
28.对于给定的用户位置，核心网计算好相应的固定站的主波束方位角后让固定站将波束交叉在包含用户的一小块区域内，只有区域内的终端可以同时收到多路信息并合并恢复出原始信息。区域外的用户则缺少至少某一路的信息而不能完成合并，也就无法得知原信息。
29.一种基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输方法，包括如下步骤：
30.步骤1：对基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；
31.步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
32.步骤3：求解每个固定站的预编码问题；
33.步骤4：根据用户位置选择合适的固定站；
34.步骤5：进行所选固定站的功率优化。
35.本发明对基于大规模mimo的岸-舰短波安全传输方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述，该描述的内容包括：
36.如图1所示，考虑由m个固定站、一个用户、一个窃听者构成的短波通信系统。在发送端，第m个固定站配备nm根天线组成的均匀线阵。在接收端，用户和窃听者配备单天线。大规模mimo系统中，天线阵的角度域信道具有稀疏性，当天线数目趋近无穷时，不同接收机的信道渐进正交。因此，配备有天线阵的固定站可以形成具有方向性的波束，使得用户有比较高的速率的同时，窃听者的速率较低，从而实现信息的安全传输。
37.本发明的建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型，包括如下内容：
38.固定站i配备ni根天线的半波长间隔的均匀线性阵列，每个天线阵元均匀覆盖[0,π)的到达角区间。固定站i天线阵列的发射信号可以表示为
[0039][0040]
其中pi表示发射功率，fi是预编码向量且||fi||＝1，si表示传输符号且|s|＝1。根据均匀线性阵列的数学模型，固定站i的阵列响应矢量为
[0041][0042]
其中j是虚数单位，θi是固定站i和用户之间的到达角，表示到达角θi条件下的相邻天线阵元间的时延导致的相位差。
[0043]
考虑远场情况，即用户和固定站之间的距离远大于相邻天线单元之间的距离。此时可以认为各天线单元到用户的方向是相同的。设xi和yi为固定站i的横坐标和纵坐标，为用户的位置，则到达角可表示为
[0044][0045]
其中x(l)、y(l)、γi(l)分别表示向量l的横坐标、纵坐标和与x轴的夹角；
[0046]
设di为固定站i到用户的距离，βi为大尺度衰落；地波场景的大尺度衰落为
[0047][0048]
其中λ表示载波波长，ε和σ分别为传播介质的介电常数和电导系数，g
t
和gr分别为发射机增益和接收机增益，设定g
t
＝gr＝1。
[0049]
固定站i从用户处接收到的信号为
[0050][0051]
其中v
t
(θi)为固定站阵列侧响应矢量的转置、z为零均值、方差为σ2的复高斯噪声、pi为固定站i的发射功率；固定站接收到的信号的信噪比为
[0052][0053]
为了最大化位于方向的接收机的γi，采用共轭波束赋形，则预编码向量设定为
[0054][0055]
将(7)代入(6)，得到当固定站i对方向波束赋形时，在到达角θi的用户的信噪比可表示为
[0056][0057]
当天线数目趋近无穷大时，对于不同角度的阵列响应矢量渐近正交，也就是
[0058][0059]
原信号被分成了m个子信号，它们分别通过m个信道传播。设bi是固定站i发出信号的带宽，则固定站i到用户的速率可以表示为
[0060][0061]
定义向量w∈{0,1}m×1表示哪些固定站被选择。具体地，s的第i个元素为1表示第i个固定站被选择，为0则表示没被选择。定义可达速率为系统中信息无差错传输的最大速率，可以表示为
[0062][0063]
设用户和窃听者的位置分别为u和e，则系统的安全速率表示为
[0064]rsec
＝[r(u)-r(e)]
+
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0065]
其中r(u)和r(e)分别表示用户和窃听者的遍历可达速率；
[0066]
考虑的问题是在最小固定站选择数目、单个固定站最大发射功率、预编码向量二范数约束下，通过优化预编码向量、发射功率、固定站选择方案，实现用户速率最大化目标，优化问题表示为：
[0067][0068]
约束c1表示至少要有k个固定站处于工作状态，约束c2表示每个固定站的发射功率应该小于最大值p
max
，约束c3表示单个固定站天线阵的预编码方案需满足功率约束。很明显p1属于混合整形优化问题且非凸，不能直接求解。
[0069]
公式(11)描述了可达速率和用户位置的关系。公式(9)中描述了角度域的稀疏性，不同位置的可达速率同样表现出了类似的特点，特别是固定站上配备的天线数很多时。定义所有被选择的固定站的主波束覆盖的地方为有效接收区。当天线数趋近无穷大时，有效接收区收敛到一个点。因此，可以通过将固定站的波束交于用户的位置来实现防窃听通信。
[0070]
本发明的求解每个固定站的预编码问题，具体包括：
[0071]
由公式(11)可以得到，要使可达速率最大化，可以把每个固定站到用户的速率最大化。由速率和信噪比之间的单调递增关系和公式(8)，根据公式(7)设定预编码向量，具体过程总结在算法1。
[0072][0073]
本发明的根据用户位置选择合适的固定站，具体包括：
[0074]
在预编码设计的基础之上，可以通过固定站选择来最大化用户的可达速率。定义r
ξ
(s)为通过算法一得到的在固定站选择方案s下接收机ξ的可达速率。p1可以写为
[0075][0076]
如果使用穷搜，总共有种满足约束的情况。对m个固定站场景，当k比较小时，穷搜的复杂度为o(2m)。
[0077]
从公式(11)可以看出可达速率取决于速率最慢的子信息，因此，我们提出一种更高效的算法来降低问题求解的复杂度。具体地，首先根据公式(8)计算所有固定站到用户的信噪比，排序后选择前k个固定站。该过程总结在算法3。
[0078][0079][0080]
本发明的进行所选固定站的功率优化，具体包括：
[0081]
一个启发式的设定发射功率的方法是将每个固定站的发射功率设到最大，从而让每个固定站到用户信噪比最大化。但是，根据公式(11)，可达速率由所有子信息中最慢的一个决定。因此，我们设定到用户链路增益最小的固定站的发射功率为最大值，同时，其他固定站降低自身的发射功率直到保持所有子信息的速率相同。该过程描述为问题p3
[0082][0083]
其中pm为每个固定站的发射功率，p
max
为固定站最大发射功率，rm为子信息m的速率、rn为子信息n的速率、w为固定站选择方案、[w]n为w的第n个元素；
[0084]
根据速率和信噪比的单调递增的关系和(15)中的c2可以得到
[0085][0086]
则每个固定站发射功率表示为
[0087][0088]
具体过程总结在算法2。
[0089][0090]
一种基于多站协同的天波大规模mimo安全通信系统，包括：
[0091]
描述模块，用于对基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；
[0092]
建立模块，用于建立基于用户位置的预编码方案、固定站选择、可达速率的分布的数学模型；
[0093]
预编码模块，用于求解每个固定站的预编码问题；
[0094]
固定站选择模块，用于根据用户位置选择合适的固定站；
[0095]
功率优化模块，用于优化固定站的发射功率。
[0096]
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步地说明。
[0097]
本发明的一个具体实施例如下，系统仿真采用python语言。下述实施例考察本发明所设计的基于大规模mimo的岸-舰安全传输方法的有效性。
[0098]
在本节中，通过展现仿真结果的方式说明所提算法的有效性。首先，将所提算法的用户速率与穷搜法比较。然后，分析接收机速率区域分布特性并将本方法的接收区面积与单固定站全向天线覆盖场景比较。最后，分析所提方法的遍历安全速率性能。表1给出了参数设置。在仿真区域{(x,y)|50≤x≤600,-400≤y≤400}内随机生成100个用户位置。方位角可以根据固定站和用户的位置用几何关系计算。
[0099][0100][0101]
图2和图3分别展示了不同固定站天线数下可达速率随频率和发射功率的变化。可以看到，随着天线数和功率的增加，可达速率随之增加，这是因为在固定站配备更多的天线可以提高角度域增益，使用更高的发射功率可以增强接收端的信噪比。同时，所提方法的性能接近穷搜的性能，说明了所提低复杂度固定站选择算法的有效性。
[0102]
图4描绘了不同固定站天线数条件下可达安全速率随天线阵元间隔的变化。可以看到，当天线阵元间隔小于半波长(9.375米)时，随着天线阵元间隔的增加，可达安全速率逐渐增加；当天线阵元间隔大于半波长时，可达安全速率趋于稳定。这是因为当天线阵元间隔较小时，会形成比较宽的主瓣，从而使得接收范围变大。
[0103]
图5描绘了不同固定站天线数条件下可达安全速率随固定站发射功率的变化。可以看到，随着固定站发射功率的增加，可达安全速率逐渐增加。对于相同天线数的场景，所提方法的性能优于启发式方法的性能，这是因为所提方法可以在保证用户速率的同时降低发射功率，这有可能降低窃听者的遍历可达速率，从而提高可达安全速率。
[0104]
图6描绘了不同固定站天线数条件下可达速率的区域分布。其中(a)对应8天线场景；(b)对应32天线场景；(c)对应128天线场景。可以看到，随着天线数的增加，可接收区域越来越小，并且用户所在位置的可达速率越来越高。这说明一方面在短波地波通信系统中使用mimo技术可以提高用户速率、能量效率，另一方面采用多固定站合作的模式可以进一步缩小有效接收区域，提升安全性能。
[0105]
以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。