基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法

技术特征：
1.基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一、针对移动空中窃听者部署灵活、机动性高的特点，通过建立通信和感知一体化isac模型，实现基站bs在与用户通信同时，应用雷达信号的感知功能对ae进行跟踪、干扰，同时表示isac系统中上行通信保密能力；步骤二、基于步骤一建立的通信和感知一体化模型，利用扩展卡尔曼滤波ekf方法预测移动空中窃听者ae的轨迹和基站与ae间的信道状态信息csi，实现精准跟踪移动空中窃听者ae，实时获得基站与ae间的准确csi；步骤三、对于给定的雷达信号x，使用闭式最优解优化接收波束形成器u；步骤四、对于步骤三给定的u，基于连续凸近似sca方法将雷达信号的优化问题转化为一系列半正定规划sdp问题进行求解，更新雷达信号x最优解；步骤五：基于步骤三、步骤四反复迭代，联合设计优化雷达信号和接收波束形成器，实现在干扰ae和与用户通信之间权衡优化，即在空中窃听者ae信号与干扰和噪声比sinr、跟踪均方误差mse和功率预算约束下最大化基站bs的噪声比sinr，保证基站bs与用户通信条件下，利用卡尔曼滤波方法精准跟踪预测精准跟踪移动空中窃听者ae，进一步增强雷达信号对ae的干扰能力，提高可靠通信的保密性。2.如权利要求1所述的基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：步骤一实现方法为，步骤1.a：设定isac系统中包括一个具有n
x
×
n
y
均匀平面阵列upa的全双工isac基站、一个单天线合法用户和一个单天线空中窃听者；设定基站和用户的位置，ae的初始位置和速度,其中，基站位置记为q0，用户的位置记为q
b
，ae初始位置为q
e
[n]，相应的速度q0＝[x0,y0,0]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(1)q
b
＝[x
b
,y
b
,0]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(2)q
e
[n]＝[x
e
[n],y
e
[n],z
e
[n]]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中n表示将周期t离散为n个时隙，每个时隙第n个时隙；步骤1.b:根据步骤1.a中给出的基站位置q0、用户位置q
b
和ae的初始位置q
e
[n]及相应速度将从用户到bs、从用户到ae和从bs到ae的信道分别表示为将从用户到bs、从用户到ae和从bs到ae的信道分别表示为将从用户到bs、从用户到ae和从bs到ae的信道分别表示为其中，ρ0表示参考距离d0＝1m处的信道功率；为服从标准复高斯分布的多路径衰落分量；d
u,b
＝||q
b-q0||，d
u,e
[n]＝||q
e
[n]-q
b
||和d
b,e
[n]＝||q
e
[n]-q0||分别表示用户到bs的距离，第n个时隙用户到ae的距离和bs到ae的距离；θ[n],φ[n]表示第n时隙中从bs到eve
的方位角(aod)和高度aod；a(θ[n],φ[n])表示upa的转向矢量，表达式为步骤1.c:根据步骤1.b中给出的从用户到bs、从用户到ae和从bs到ae的信道，得到bs处接收到的上行链路信号和窃听者接收到的信号表达式分别为r
b
＝h
ub
s h
si
x ξa
*
(θ,φ)a
h
(θ,φ)x n
b
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，s表示用户的上行链路信号；表示由全双工操作引起的自干扰(si)，其元素服从独立且同分布的复高斯分布；x是bs发射的雷达信号；a(θ,φ)＝vec(a(θ,φ))表示将upa方向向量表示为列向量；表示bs处的加性白高斯噪声(awgn)，表示ae处的awgn；表示ae处的awgn；ζ表示雷达横截面积(rcs)；步骤1.d:根据步骤1.b和步骤1.c中信道和接收信号表达式，得到bs和ae处的sinr表达式，分别表示为其中，表示bs在接收叠加信号时的接收波束形成矢量，p
u
是用户的信号发射功率；步骤1.e:将步骤1.d中bs和ae处的sinr表达式，代入保密能力计算式，得到上行通信的保密能力c
s
[n]＝[r
b-r
e
[n]]

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)其中r
b
＝log2(1 γ
b
),r
e
[n]＝log2(1 γ
e
[n])[
·
]

表示max{
·
,0}步骤1.f:通过建立如公式(1)(2)(3)(4)(9)(10)所示的通信和感知一体化模型，实现基站bs在与用户通信同时，应用雷达信号的感知功能对ae进行跟踪、干扰，同时表示isac系统上行通信保密能力如公式(12) 。3.如权利要求2所述的基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.a：在通信和感知一体化模型中，基于雷达回波信号,通过匹配滤波器(mf)原理,得到可观测参数其中，和表示时隙n中的往返时间延迟和多普勒频移；步骤2.b：根据步骤2.a中得到的可观测参数建立可观测参数与
ae状态之间的关系，得到ae的状态测量模型公式(13)写成以下形式其中其中表示时隙n时ae的状态；g
n
(
·
)中f
c
和c表示载波频率和光速；w[n]＝[w
τ[n]
,w
μ[n]
,w
sinθ[n]
,w
cosθ[n]
,w
sinφ[n]
]
t
表示零均值高斯噪声矢量，其协方差矩阵表示为表示零均值高斯噪声矢量，其协方差矩阵表示为a
i
,i＝1,2,3,4是与系统配置和特定信号处理算法相关的常量，g表示匹配滤波增益；步骤2.c：根据步骤2.b得到的第n个时隙ae的状态以及计算得到的mse矩阵，预测ae在n 1时隙的状态以及mse矩阵 1时隙的状态以及mse矩阵其中，s
cv
表示状态转换矩阵，表示为上式中i3和o3分别是3
×
3单位矩阵和零矩阵；上式中和分别表示x、y、z轴方向上高斯位置噪声位置和速度噪
声的方差；步骤2.d：利用步骤2.c得到的结果计算卡尔曼增益矩阵其中，具体表达式为此处省略了时隙索引，上式中此处省略了时隙索引，上式中步骤2.e：根据公式(20)(21)对步骤2.c预测得到的ae在n 1时隙的状态和mse矩阵，进行校正和更新，预测移动空中窃听者ae的轨迹和基站与ae间的信道状态信息csi，实现精准跟踪移动空中窃听者ae，实时获得基站与ae间的准确csi；m[n 1]＝(i-k[n 1]g
n
)m[n 1∣n]
ꢀꢀꢀꢀ
(21) 。4.如权利要求3所述的基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：步骤三实现方法为，步骤3.a:给定x，以最大化bs的sinr为目标函数，接收波束功率为约束条件，优化问题如下式s.t.||u||＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)步骤3.b:根据rayleigh-ritz定理，得到步骤3.a中u的闭式最优解，即得到优化后的接收波束形成器u。5.如权利要求4所述的基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：步骤四实现方法为，步骤4.a:给定u，以最大化bs的sinr为目标函数，以ae的sinr、跟踪均方误差(mse)和雷达发射信号功率预算为约束条件，优化问题如下式：s.t.γ
e
[n 1]≤γ
bp
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
tr(m[n 1])≤γ
m
，
ꢀꢀꢀꢀ
(26)||x||2≤p
r
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)其中，γ
bp
是预先设计的ae的sinr阈值，γ
m
是最大容忍跟踪mse阈值，p
r
表示雷达信号的最大发射功率；步骤4.b:对步骤4.a第一个约束条件(25)，在给定点应用一阶泰勒级数展开得到步骤4.d:对步骤4.a中的第二个约束条件(26)，在给定点应用一阶泰勒级数展开，将m-1
[n 1]转化为以下线性形式其中，因此，约束条件表示为其中，v
i
≥0,i＝{1,
…
,6}为引入的辅助变量，e
i
是i6的第i个列向量；步骤4.d:将步骤4.a中的问题转换为以下半正定规划sdp问题步骤4.d:将步骤4.a中的问题转换为以下半正定规划sdp问题步骤4.e：对步骤4.d中的凸优化问题进行求解，并更新x。6.如权利要求5所述的基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，其特征在于：步骤五实现方法为，判断步骤四中的值相比上一次迭代的分数增加是否小于收敛精度阈值，或是否达到最大迭代次数，若否则跳至步骤三进行迭代，若是则结束迭代，输出联合设计优化后雷达信号和接收波束形成器，实现在干扰ae和与用户通信之间权衡优化，即在空中窃听者ae信号与干扰和噪声比sinr保证干扰能力、跟踪均方误差mse和功率预算约束下最大化基站bs的噪声比sinr，保证基站bs与用户通信条件下，利用卡尔曼滤波方法精准跟踪预测精准跟踪移
动空中窃听者ae，进一步增强雷达信号对ae的干扰能力，提高可靠通信的保密性。

技术总结
本发明公开基于感知的针对移动空中窃听者的上行通信安全方法，属于通信物理层安全与雷达干扰抑制领域。本发明针对移动空中窃听者部署灵活、机动性高的特点，通过建立通信和感知一体化模型，联合设计迭代优化雷达信号和接收波束形成器，在干扰AE和与用户通信之间权衡优化；在保证基站BS与用户通信条件下，利用扩展卡尔曼滤波方法预测移动AE的轨迹和基站与AE间的信道状态信息CSI，实现精准跟踪AE，实时获得基站与AE间的准确CSI，进一步增强雷达信号对AE的干扰能力，提高可靠通信的保密性；基于交替优化算法，通过连续凸近似SCA技术将雷达信号的优化转化为一系列半正定规划SDP问题，联合设计雷达信号和接收波束，进一步提高通信保密能力。通信保密能力。通信保密能力。


技术研发人员：费泽松 张嘉慧 刘鹏
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/6/4