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申请/专利权人：西安电子科技大学

摘要：本发明属于毫米波通信技术领域，公开了一种全双工MISO物理层安全传输方法、系统及应用，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；推导出部分和全局CSI条件下的保密速率表达式和仅知道部分CSI时保密中断概率约束的保密吞吐量表达式。本发明提出了一种毫米波系统安全传输方案，在毫米波频段，全双工接收器产生干扰信号。本发明通过在发射端设计发射波束形成矩阵，可以降低窃听者的接收质量。仿真结果表明，本发明方法中的的全双工保密传输方案在在保密性能方面明显优于半双工方式。

主权项：1.一种全双工MISO物理层安全传输方法，其特征在于，所述全双工MISO物理层安全传输方法包括：分析全双工毫米波MISO通信系统中的物理层安全性能，其中全双工接收器在目的地产生干扰信号以保护机密消息；选择保密速率和保密吞吐量作为保密性能指标；在全局信道状态信息可用的情况下分析并导出单天线情况下的保密速率的封闭式表达式；在源和目的地共同设计波束形成，通过联合优化功率分配比获得最大保密速率；所述全双工MISO物理层安全传输方法包括以下步骤：步骤一，分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型；步骤二，根据信道特性，在源S和目的地D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异；步骤三，确定性能指标，推导出部分和全局CSI条件下的保密速率表达式和仅知道部分CSI时保密中断概率约束的保密吞吐量表达式；所述步骤一中的分别在完美CSI和不完美CSI可用的条件下，建立毫米波MISO链路的离散角域信道模型包括：当毫米波通信系统中具有Ns个天线的源S将机密信息传输给目的地D并可能被窃听者E窃听；D为全双工模式工作，并被分为Nr个接收天线和Nt个发射天线，Nr,Nt＝1；采用基于射线簇的信道模型，信道包括Nc个簇，每个簇包含Nray个路径；毫米波的信道矩阵表示为： 其中，γ是平均路径损耗，是簇中路径的复增益；和表示的出发方位角AOD和的到达方位角AOA的归一化阵列响应，其中和采用均匀线性阵列，阵列响应向量由下式给出： 其中，N是阵列天线的数量，λ是波长，d是天线间距，ψ是到达角AOA或出发角AOD；考虑基于射线簇信道模型的离散角域信道模型，可将其表示为空间可分辨的路径；考虑到阵列大小受限系统的有限角分辨率特性，使用的离散角域，以的固定间距对角域进行采样；信道由空间正交基表示，定义为： 其中，传输信号通过正交基分解为沿不同物理方向传输的多径，分辨率为S-to-D、S-to-E和D-to-E链路的离散角域信道模型分别写为： 其中，Lij表示不同连接空间可解析路径的数量，i∈{s,d}，j∈{d,e}；D和E可能共享多个可解析路径，将数量设置为Lc；当D工作在全双工模式，接收源信号的同时发射干扰信号来迷惑E，结果E的链路质量会变差；在D的接收天线和发射天线之间有一个环路Hdd；环路Hdd由两个分量组成，包括近场NF和远场FF；近场分量是通过发射和接收线性阵列的直接路径，而远场干扰是由附近簇的反射引起；因为近场分量与远场范围条件不匹配，考虑球形传播模型；nth接收天线和mth发射天线之间的路径建模为： 其中，η是功率归一化的常数，rmn是发射天线阵列的mth元素与接收天线阵列的nth元素之间的距离；使用发射机接收机表示发射接收阵列；反射路径组件采用与引入的毫米波通信信道相同的模型，写成： 引入变量ρ和0≤ρ≤1；当ρ＝0时，是指理想的情况，没有自干扰；自干扰消除后，最终的自干扰信道改写为：Hsi＝ρHdd＝ρHNF+HFF,其中，HNF表示近场分量；所述步骤二中的根据信道特性，在S和D处联合设计混合波束形成矩阵，以扩大合法信道和窃听信道之间的接收差异包括：当假设S配备多个天线，Ns＞1；D配置一个发射和一个接收天线，Nr,Nt＝1；采用混合模拟和数字波束形成天线结构，由移相器和基带处理器组成；当RF链的数量为K∈{s,r,t}，满足利用S和D处的波束形成，D和E处的接收信号表示为： 其中，s是一维消息信号功率限制为z是干扰信号并且FRF和fBB对应分别是射频模拟和数字基带波束形成矩阵并且有和QRF,QBB分别是传输干扰信号的射频模拟和数字基带波束形成矩阵并且有和WRF,wBB是D处的接收端波束形成组合矩阵并且有和前者是模拟的，后者是数字的；和是D和E处的高斯噪声。

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