CN111049552A - 基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备，包括获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个通信参数构建与每个通信信道一一对应的信道传递函数，各个通信参数结合MK模型对各个信道传递函数构建实际信道模型；依据实际信道模型建立电力线通信***模型；将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数；对目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率；使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信，预防窃听用户窃取数据。解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低的技术问题。

Description

基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及数据传输安全技术领域，尤其涉及一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备。

背景技术

多跳宽带电力线通信是指利用电力线作为信号传输的媒介，在发送信号时，利用调制技术把数据进行调制，将载有信息的信号加载到电流上，接着利用电力线进行传输；在接收端接收信号时，先让接收信号经过滤波器，然后将调制信号取出，再经过解调技术，就可得到原来的通信信号，并传送到电话或计算机，实现信息的传递。

目前在每家每户均已经分布有电力线，普及范围极广，不需要加设专用线路，若用电力线作为媒介实现台区的移动终端和电能表之间的通信，降低电网获取电能量数据的成本，又可以提高电力线的使用价值。但是，台区的移动终端和电能表之间的通信数据比较庞大，如此庞大而重要的数据在具有广播特性的电力线上进行传输，需要对通信数据进行安全和保密传输，而如何实现数据在电力线上传输的保密性和安全性，对多跳宽带电力线通信的物理层安全的保证显得尤为重要。

因此，如何实现多跳宽带电力线通信的物理层安全，保证台区的移动终端与电能表之间能进行安全通信成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备，用于解决现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，包括以下步骤：

S1.获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个所述通信参数构建与每个所述通信信道一一对应的信道传递函数，各个所述通信参数结合MK模型对各个所述信道传递函数构建实际信道模型；

S2.依据所述实际信道模型建立电力线通信***模型；

S3.将联合收发矩阵输入所述电力线通信***模型中得到目标函数；

S4.对所述目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到所述电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

优选地，所述通信参数包括各个所述通信信道的路径数量、路径的传输距离、信号频率和通信节点：

其中，所述通信节点能用于窃听用户窃取所述通信信道上的传输数据。

优选地，根据如下公式作为多跳宽带电力线的所述实际信道模型：

其中，i为路径的编号，g_i为每条路径的加权系数且数值为不大于1的自然数，A(f，d_i)为所述通信信道的衰减系数，α₀、α₁和k均是衰减参数，k为0.5～1，d_i为第i条路径的传输距离，τ_i为路径i上的时延

c₀为光速，ε_r为所述多跳宽带电力线的介电常数。

优选地，所述电力线通信***模型包括发射端、中继和接收端，基于加性高斯白噪声对所有的用于接收数据的所述通信节点的均值为零和方差σ²进行处理，得到所述发射端、所述中继和所述接收端它们之间链路的信道矩阵。

优选地，所述联合收发矩阵包括发射预编码矩阵、中继编码矩阵和接收滤波矩阵；所述目标函数包括各发射功率的约束、通信通道数的约束以及对窃听用户均方误差的约束，在满足发射端和中断端的传输功率约束，所述目标函数为：

s.t.∶MSE_e,k≥ε_k

其中，其中，K为不小于1的自然数，{U_k}为所述发射预编码矩阵，{V_m}为所述中继编码矩阵，{W_k}为所述接收滤波矩阵，{W_e，k}为所述窃听用户的接收滤波矩阵，MSE_k为接收端对所述多跳宽带电力线上传输数据的均方误差，MSE_e，k为所述窃听用户对传输数据的均方误差，

为发射端的发射功率，

为中断端的发射功率，P_sk为发射端的最大发射功率，P_rm为中断端的最大发射功率，ε_k为MSE_e，k的最小值。

优选地，根据所述迭代分布式算法对所述目标函数进行优化求解的步骤包括：

S41.对所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值，并采用所述迭代分布式算法计算出所述接收滤波矩阵的最优线性矩阵；

S42.根据所述目标函数，求解得到所述窃听用户的优化接收滤波矩阵；

S43.基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和在所述步骤S41迭代得到的所述中继编码矩阵，再采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的发射预编码矩阵；

S44，基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵，采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的中继编码矩阵。

优选地，根据所述迭代分布式算法计算步骤包括：

S01.初始化，设置迭代计数器n＝0，接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁾＝0，所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值为

和

S02.根据所述目标函数获得的所述发射预编码矩阵

和所述中继编码矩阵

计算得到所述窃听用户的接收滤波矩阵

和所述接收滤波矩阵

S03.根据所述步骤S02中迭代获得的

与

和

对所述目标函数进行优化，得到更新后的发射预编码矩阵

S04.根据获得的

和

对所述目标函数进行优化，更新得到

并计算所述接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾；

S05.若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾≤ξ，结束所述迭代分布式算法计算；若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾>ξ，n＝n+1，执行所述步骤S02；

其中，ξ为给定的前后两次迭代的数值差。

优选地，根据所述最优线性矩阵、所述优化后的中继编码矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵求解所述窃听用户和合法用户接收端的通信速率，根据以下公式求解得出所述合法用户接收端的通过所述多跳宽带电力线传输数据的安全速率，且安全速率大于0；安全速率的公式为：

RateD_k＝max(0，comD_k)-max(0，comE)，k＝1，......k

其中，comD_k为所述合法用户接收端的通信速率，comE为所述窃听用户的通信速率。

本发明还提供一种基于电力线通信的多跳数据安全传输装置，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，包括：

实际信道模型单元，用于根据获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个所述通信参数构建与每个所述通信信道一一对应的信道传递函数，各个所述通信参数结合MK模型对各个所述信道传递函数构建实际信道模型；

电力线通信***模型单元，用于依据所述实际信道模型建立电力线通信***模型；

建立目标函数单元，用于将联合收发矩阵输入所述电力线通信***模型中得到目标函数；

计算单元，用于根据所述目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到所述电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

本发明还提供一种设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1.该基于电力线通信的多跳数据安全传输方法包括获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个通信参数构建与每个通信信道一一对应的信道传递函数，各个通信参数结合MK模型对各个信道传递函数构建实际信道模型；依据实际信道模型建立电力线通信***模型；将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数；对目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。该基于电力线通信的多跳数据安全传输方法通过迭代分布算法优化的联合收发矩阵和目标函数，得到电力线通信多跳数据安全传输的安全速率，使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信，预防窃听用户窃取数据。解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题；

2.该基于电力线通信的多跳数据安全传输装置通过实际信道模型单元构建实际信道模型，采用建立目标函数单元将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数，再通过计算单元依据目标函数采用迭代分布式算法优化，求解得到多跳数据安全传输的安全速率，使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信，预防窃听用户窃取数据。解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的5条路径的通信信道MK模型幅频特性曲线图。

图3为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的数据传输的框架图。

图4为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的传输数据多跳宽带电力线通信***的框架图。

图5为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的多跳宽带电力线通信***的框架图。

图6为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法目标函数进行优化求解的步骤流程图。

图7为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法迭代分布式算法计算的步骤框架图。

图8为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法安全速率和通信速率随信噪比的变化趋势图。

图9为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法迭代分布算法的收敛性图。

图10为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输装置的框架图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例中，对于数据的解释：

中继：是两个交换中心之间的一条传输通路，中继线是承载多条逻辑链路的一条物理连接。

电能表：用于低压用户电能计量的设备，可生成各种电能量数据。

物理层:是计算机网络模型中最低的一层，为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的、电子的、功能的和规范的特性。

香农定理：给出了信道信息传送速率的上限(比特每秒)和信道信噪比及带宽的关系。

物理层安全一直专注于多跳中继网络，用于对抗外来窃听者，目前的多跳中继网络防止窃听者窃取信息采取的提高多跳中继网络的安全性的技术有：

一是提出了联合中继和干扰选择方案以提高多跳中继网络的安全性，但其仅选择一个节点作为中继，没有充分利用所有节点。

二是采用两跳单中继网络的安全资源分配问题，该问题是在窃听者存在的情况下考虑应用和不应用协作干扰技术，在传输设计中强制使用暴露于窃听者的物联网通信的安全增强算法。

三是研究了提高物联网中重要数据安全性的问题，窃听者可以将他们的观察结合起来，极其解码信号。在存在蜂窝干扰的情况下，在中继辅助物联网***中，合法接收机处的均方误差(MSE)处于较低值并且窃听者处的MSE较大时，预编码矩阵被优化。

尽管多跳中继网络的物理层安全已经被广泛研究，但是当中继网络面临干扰时，所产生的物理层安全问题仍然是一个重大挑战。在目前的对于多跳中继网络的物理层安全研究提出了一种联合功率控制和波束形成算法，以最小化总传输功率，同时保持每个接收机处的信号与干扰加噪声比(SINR)高于预期阈值，并通过迭代分布式算法用于联合设计发射预编码矩阵和接收滤波器矩阵，用于通过***在MIMO干扰信道上进行安全通信。

上述描述的关于多跳中继网络的数据传输安全性的研究均是在理论上研究的，并没有考虑实际中采用电力线实现多跳中继网络的数据传输。

因此，本申请实施例提供了一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备，用于解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题。

实施例一：

图1为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的步骤流程图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，包括以下步骤：

S1.获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个通信参数构建与每个通信信道一一对应的信道传递函数，各个通信参数结合MK模型对各个信道传递函数构建实际信道模型；

S2.依据实际信道模型建立电力线通信***模型；

S3.将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数；

S4.对目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上的多跳数据安全传输的安全速率。

需要说明的是，在电力***中，台区是指(一台)变压器的供电范围或区域。移动终端可以为PC、电脑、手机、掌上电脑等。

在本发明的实施例的所述步骤S1中，首先获取多跳宽带电力线上通信信道(BPLC)的信道状态信息和通信参数，并根据通信参数构建与各电力线对应的信道传递函数，也就是说，要使用多跳宽带电力线的几个差分通道就构建几个信道传递函数。BPLC通信信道具有很强频率选择性衰减性特性，通过MK模型在多跳宽带电力线通信信道上实地的测量数据中获取MK模型的相关参数，并建立的BPLC信道MK模型，该MK模型所用的信号频率范围为500kHz～20MHz。

需要说明的是，MK模型已在曼弗雷德·齐默尔曼和克劳斯·多斯特发表的论文《电力线信道高频段多径信号传输模型》(A Multi-Path Signal Propagation Model forthe Power Line Channel in the High Frequency Range)中记载，在本实施例中，不在对MK模型的构建和工作原理进行阐述。在本实施例中，对现进行多跳宽带电力线通信信道的5条路径的BPLC通信信道仿真，取通信信道衰减参数α₀＝0，α₁＝1.5×10^-9s/m，k＝1，ε_r＝3.8，c₀＝3.0×10⁸m/s，信道参数见下表1：

表1为5条路径的通信信道MK模型参数表

图2为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的5条路径的通信信道MK模型幅频特性曲线图。

如图2所示，从MK模型幅频特性曲线图可知，得到多跳宽带电力线上各个通信信道的频率衰落特性，即随着频率的增加，衰减增加；同时在信号频率的部分频率范围内存在严重的频率选择性衰落，至此，可以获得通信信道的信道特征，构建实际信道模型。

图3为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的数据传输的框架图。

如图3所示，在本发明的实施例中，电力线通信的数据传输是通过信号源发送数据信号，通过编码器对数据信号进行编码，得到编码后的数据传输信号，采用电力线的主信道将数据传输信号传送至解码器中解码，合法用户获得电力线上传输的数据信号。若窃听用户窃取电力线中传输的数据信号，窃听用户通过窃听信道窃取数据传输信号。具体地，由于多跳宽带电力线的通信信道中有窃听用户的存在，故构建的实际信道模型为窃听信道模型。

图4为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的传输数据多跳宽带电力线通信***的框架图，图5为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法的多跳宽带电力线通信***的框架图。

如图4和图5所示，在本发明实施例的所述步骤S2中，因实际信道模型需要通过多跳宽带电力线通信***的传输数据是采用K个发射端尝试在M个中继节点的帮助下将数据传输到相应的接收端，由于电力线的差分通道最多为4，故K的取值最大为4。电力线通信***模型包括发射端、中继和接收端，发射端、中继、接收端和对应的发射端-接收端对的集合表示为{S_k}、{R_m}、{D_k}and{(S_k，D_k)}，其中k＝1，.....，K；m＝1，.....，M。窃听用户用E表示。此外，发射端{S_k}，中继{R_m}，接收端{D_k}和窃听用户均设置有T_k、Q_m、N_k和N_e个通信信道。假设所有通信节点之间的通信通道都经历缓慢变化的实际信道模型，并且所有的接收通信节点都接收到均值为零和方差为σ²的加性高斯白噪声(AWGN)，并用H_km、G_mk和G_me表示S_k-R_m、R_m-D_k和R_m-E链路的信道矩阵。

需要说明的是，若窃听用户试图从电力线中窃取秘密数据，根据电力线的路径损耗和传输功率的限制，发射端和接收端之间的直接连接可以忽略不计。因窃听用户从电力线中窃取数据需要靠近接收端并远离发射端，当窃听用户很远时，窃听用户很难听到来发射端的信号，因此需要对中继到窃听用户之间的链路进行通信安全防护，忽略从发射端到窃听用户之间的链路。当其中一个发射端将信号发送到相应的接收端而其他发射端同步发送信号时，***中存在干扰信道。

在本发明实施例的中，在电力线通信***模型引入联合收发矩阵获得实现多跳宽带电力线通信物理层安全的目标函数，对目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

需要说明的是，联合收发矩阵包括发射预编码矩阵、中继编码矩阵和接收滤波矩阵。在实现在窃听用户存在下的多跳宽带电力线通信中，确保台区的移动终端与电能表通信的安全，在发射端和中继处受发射功率的限制，采用迭代分布式算法对发射预编码矩阵、中继编码矩阵、接收滤波矩阵进行优化，将窃听用户的均方误差大于合法用户的均方误差，从而计算得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。在存在窃听用户的情况下，通过迭代分布算法优化的发射预编码矩阵、中继编码矩阵、接收滤波矩阵以及目标函数得到电力线通信多跳数据安全传输的安全速率，使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信。

本发明提供的一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法包括获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个通信参数构建与每个通信信道一一对应的信道传递函数，各个通信参数结合MK模型对各个信道传递函数构建实际信道模型；依据实际信道模型建立电力线通信***模型；将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数；对目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。该基于电力线通信的多跳数据安全传输方法通过迭代分布算法优化的联合收发矩阵和目标函数，得到电力线通信多跳数据安全传输的安全速率，使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信，预防窃听用户窃取数据。解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题。

在本发明的一个实施例中，通信参数包括各个通信信道的路径数量、路径的传输距离、信号频率和通信节点；

其中，通信节点能用于窃听用户窃取通信信道上的传输数据。

在本发明的一个实施例中，根据如下公式作为多跳宽带电力线的实际信道模型：

其中，i为路径的编号，g_i为每条路径的加权系数且数值为不大于1的自然数，A(f，d_i)为通信信道的衰减系数，α₀、α₁和k均是衰减参数，k为0.5～1，d_i为第i条路径的传输距离，τ_i为路径i上的时延

c₀为光速，ε_r为多跳宽带电力线的介电常数。

需要说明的是，通信信道的衰减系数的大小是由通信通道的路径长度和频率决定。

在本发明的一个实施例中，所述目标函数包括各发射功率的约束、通信通道数的约束以及对窃听用户均方误差的约束，在满足发射端和中断端的传输功率约束，如下公式是所述目标函数的公式(13)为：

s.t.∶MSE_e,k≥ε_k

其中，K为不小于1的自然数，{U_k}为所述发射预编码矩阵，{V_m}为所述中继编码矩阵，{W_k}为所述接收滤波矩阵，{W_e，k}为所述窃听用户的接收滤波矩阵，MSE_k为接收端对所述多跳宽带电力线上传输数据的均方误差，MSE_e，k为所述窃听用户对传输数据的均方误差，

为发射端的发射功率，

为中断端的发射功率，P_sk为发射端的最大发射功率，P_rm为中断端的最大发射功率，s.t.为subject to的缩写，ε_k为MSE_e，k的最小值。具体地，{U_k}、{V_m}、{W_k}为联合收发矩阵需要优化求解的目的矩阵，{W_e，k}是窃听用户根据自身条件设计的适合于它自己的最优滤波矩阵。其中，s.t.的意思是公式(13)中的

受MSE_e,k≥ε_k、

和

这三个公式的约束。

需要说明的是，在多跳宽带电力线进行传输数据过程中，是通过两个时隙来完成发射端和相应接收端之间的通信。在第一时隙中，发射端S_k将数据s_k发送给中继R_m，然后中继R_m利用其接收通信通道接收输入信号，并在第二时隙中将转发信号y_rm发送到相应的接收端D_k，窃听用户则在此时窃取秘密数据。在中继R_m、接收端D_k和窃听用户的接收信号可以表示如下：

其中，

是中继R_m处的接收信号；

是接收端D_k处的接收信号；y_e∈C^Ne×1是窃听用户的接收信号；

是发射端S_k与中继R_m之间的通信信道系数矩阵；

是中继R_m与接收端D_k之间的通信信道系数矩阵；

是中继R_m与窃听用户之间的通信信道系数矩阵；

是在发射端S_k的发射信号S_k；

和

是在中继R_m、接收端D_k和窃听用户的加性高斯白噪声，其均值为零方差分别为

和

为了最小化接收端的总体均方误差MSE实现安全通信，在发射端和中继的发射功率约束条件下，联合设计发射预编码矩阵、中继编码矩阵、接收滤波矩阵进行优化求解出目的矩阵。具体地，在发送数据s_k之前，使用发送预编码矩阵U_k对发射端S_k发送的数据s_k进行编码。同样，使用中继编码矩阵V_m对中继R_m发送的数据y_rm进行编码。则在中继R_m，接收端D_k和窃听用户的接收信号可以重新表示为：

使用线性接收滤波矩阵W_k去处理接收端D_k的接收信号，同时，窃听用户也会用滤波矩阵W_e，k去处理窃听用户自己的接收信号。于是，接收端D_k和窃听用户对数据s_k的测量值可以分别表示为：

其中，W_k和W_e，k分别是N_k×T_k、N_e×T_k的接收滤波矩阵。假定发射端S_k发射的数据s_k信号的协方差矩阵为

故从公式(7)可以得到在接收端D_k对数据s_k信号的均方误差MSE_k为：

同样地，可以得到窃听用户对数据s_k信号的均方误差MSE_e，k为：

在发射端和中继的发射功率限制可以表示为：

其中P_sk和P_rm表示在发射端S_k和中继R_m的最大发射功率。

在窃听用户存在的情况下，来自发射端的信号可能泄漏给窃听者。考虑到最坏的情况，假设窃听者可以计算线性接收矩阵W_e，k来最小化其自身的均方误差MSE_e，k，并且它知道所有的信道状态信息。故需要设计最优的发射预编码矩阵{U_k}、中继编码矩阵{V_m}和接收滤波矩阵{W_k}来最小化所有接收端的总均方误差MSE，并使MSE_e，k保持在给定的阈值ε_k(k＝1，.....，K)以上，同时满足发射端和中继的传输功率约束。

依据目标函数的特征，联合设计发射预编码矩阵、中继编码矩阵、接收滤波矩阵，以减小所有合法接收者的总均方误差MSE并使窃听用户的均方误差MSE_e，k在一个给定的阈值ε_k(k＝1，.....，K)以上，确保多跳宽带电力线通信的物理层安全，保证台区的移动终端与电能表之间的数据安全传输。

图6为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法目标函数进行优化求解的步骤流程图。

如图6所示，在本发明的一个实施例中，根据所述迭代分布式算法对所述目标函数进行优化求解的步骤包括：

S41.对所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值，并采用所述迭代分布式算法计算出所述接收滤波矩阵的最优线性矩阵；

S42.根据所述目标函数，求解得到所述窃听用户的优化接收滤波矩阵；

S43.基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和在所述步骤S41迭代得到的所述中继编码矩阵，再采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的发射预编码矩阵；

S44，基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵，采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的中继编码矩阵。

因公式(13)存在多个矩阵变量，采用迭代分布式算法求解得到发射预编码矩阵、中继编码矩阵和接收滤波矩阵的最优目的矩阵。该迭代分布式算法将通过之前迭代获得的两个矩阵变量计算另外一个矩阵变量，并依次循环。目标函数可以用总均方误差TMSE表示，公式如下：

需要说明的是，采用迭代分布式算法对发射预编码矩阵、中继编码矩阵和接收滤波矩阵进行第一次迭代计算中，先设置{U_k}和{V_m}的初始值，然后计算{W_k}的最优解。然后，在接下来的迭代中，我们利用上一次迭代获得的{U_k}和{V_m}来计算最优的{W_k}。

从目标函数的公式(13)中可以看出，{W_k}和{W_e，k}与发射端和中继的传输功率约束无关。通过线性MMSE接收机，我们可以得到使接收端总均方误差MSE最小化的最优线性接收矩阵{W_k}，{W_e，k}的公式为：

同理，{W_e，k}的公式为：

对发射预编码矩阵{U_k}进行求解，具体地，根据公式(15)和(16)获得的接收滤波矩阵{W_k}和{W_e，k}后，可以根据{W_k}、{W_e，k}和上一次迭代获得的{V_m}采用迭代分布式算法求解得到这次迭代的发射预编码矩阵{U_k}。为了更进一步的分析，公式(14)的TMSE可以具体表示为：

定义

公式(17)可以简化为：

定义

对公式(18)进行简化为：

其中

且γ与矩阵变量{U_k}无关,因此可以将它看做一个常量。定义

于是公式(19)可以进一步表示为:

为了简化上述求解过程，如下引入的转换公式，公式为：

tr(A^HB)＝(vec(A))^Hvec(B)，

定义

和

其中

公式(20)可以替换为：

TMSE＝u^Hωu-ψu-u^Hψ^H+γ (21)

其中

同理，窃听用户的均方误差MSE_e，k可以表示为：

其中，

和

由于

在发射端的功率限制情况下，公式(11)可以表示为：

公式(23)可以简化为：

u^Hρu≤P_sk,k＝1,…,K (24)

其中

从公式(21)、(22)和(24)，得到发射预编码矩阵{U_k}的优化公式可以表示为：

发射预编码矩阵{U_k}的优化公式(25)是一个二次约束二次规划问题，和目标函数公式(13)的问题相比，优化公式(25)可以通过MATLAB工具箱的CVX求得。

对于中继编码矩阵{V_m}的求解优化公式，具体地，上述已经获得优化后的由于{W_k}、{W_e，k}和{U_k}都已经求得，接收端的总均方误差TMSE可以表示为：

其中，

定义，V＝bd(V₁,V₂,…,V_M)，

于是对公式(26)的接收端的总均方误差TMSE简化为：

定义v＝vec(V)，于是可以进一步对公式(27)简化为：

TMSE＝v^HΩv-Ov-v^HO^H+v^Hμv+β (28)

其中，

同理，窃听用户的均方误差MSE_e，k可以表示为：

其中，

由于

和

其中，

在中继的功率限制可以表示为：

v^Hλv≤P_rm,m＝1,…,M (30)

其中，

从公式(28)、(29)和(30)，中继编码矩阵{V_m}的优化公式可以表示为：

其中，中继编码矩阵{V_m}的优化公式(31)是一个二次约束二次规划问题，与目的函数的公式(13)问题相比，优化公式(31)可以通过MATLAB工具箱的CVX求得。

图7为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法迭代分布式算法计算的步骤框架图。

在本发明的一个实施例中，根据所述迭代分布式算法计算步骤包括：

S01.初始化，设置迭代计数器n＝0，接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁾＝0，所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值为

和

S02.根据所述目标函数获得的所述发射预编码矩阵

和所述中继编码矩阵

计算得到所述窃听用户的接收滤波矩阵

和所述接收滤波矩阵

S03.根据所述步骤S02中迭代获得的

与

和

对所述目标函数进行优化，得到更新后的发射预编码矩阵

S04.根据获得的

和

对所述目标函数进行优化，更新得到

并计算所述接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾；

S05.若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾≤ξ，结束所述迭代分布式算法计算；若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾>ξ，n＝n+1，执行所述步骤S02；

其中，ξ为给定的前后两次迭代的数值差。

需要说明的是，根据所述迭代分布式算法对发射预编码矩阵{U_k}、中继编码矩阵{V_m}和接收滤波矩阵{W_k}的迭代过程，其中n表示第n次迭代。

在本发明的一个实施例中，根据所述最优线性矩阵、所述优化后的中继编码矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵求解所述窃听用户和合法用户接收端的通信速率，根据以下公式求解得出所述合法用户接收端的通过所述多跳宽带电力线传输数据的安全速率，且安全速率大于0；安全速率的公式为：

RateD_k＝max(0，comD_k)-max(0，comE)，k＝1，......k

其中，comD_k为所述合法用户接收端的通信速率，comE为所述窃听用户的通信速率。

需要说明的是，根据香农理论可知，只有当安全速率大于0时才能实现安全通信。在接收端D_k和窃听用户的通信速率可以表示为：

上述是对基于分布式总体均方误差MSE最小化的台区移动终端与电能表间基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，根据上述理论原理，最终可实现多跳宽带电力线通信***的物理层安全。

图8为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法安全速率和通信速率随信噪比的变化趋势图。

如图8所示，所有的通信节点的通道数为3，与传统方法相比，从图8可以得知，所提出的算法可以能保证安全速率随着信噪比SNR增加而增加，三个链路的通信速率是接近的，安全速率的情况也是相似的，三个合法用户之间几乎没有差异。从图8可知实现的安全速率低于通信速率，是由于采用迭代分布式算法计算的目的矩阵会为了实现数据传输的安全性而牺牲部分通信速率。

图9为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法迭代分布算法的收敛性图。

根据K＝3、4、5，M＝3和P_Sk＝P_rm＝20dB，所有通信节点的通道数为3。如图9所示可以得出，TMSE随着迭代次数增加逐渐减小，直至收敛。具体地，TMSE总是在2～4次迭代范围内收敛，另外，随着合法收发对的数目增加，该算法的收敛速度减小，且TMSE增加，这是由于更多的若合法收发对增加了***复杂度和每个合法收发对之间的干扰，导致需要更多次的迭代来达到收敛，同时增加了TMSE。

实施例二：

图10为本发明实施例所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输装置的框架图。

如图10所示，本发明实施例提供了一种基于电力线通信的多跳数据安全传输装置，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，包括：

实际信道模型单元101，用于根据获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个通信参数构建与每个通信信道一一对应的信道传递函数，各个通信参数结合MK模型对各个信道传递函数构建实际信道模型；

电力线通信***模型单元102，用于依据实际信道模型建立电力线通信***模型；

建立目标函数单元103，用于将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数；

计算单元104，用于根据目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

需要说明的是，通信参数、MK模型、实际信道模型、电力线通信***模型、联合收发矩阵、目标函数和对安全速率的求解已在实施例一一详细阐述，在本实施例中不在一一阐述

本发明提供的一种基于电力线通信的多跳数据安全传输装置通过实际信道模型单元构建实际信道模型，采用建立目标函数单元将联合收发矩阵输入电力线通信***模型中得到目标函数，再通过计算单元依据目标函数采用迭代分布式算法优化，求解得到多跳数据安全传输的安全速率，使得电力线在安全速率下进行数据传输，保证安全通信，预防窃听用户窃取数据。解决了现有技术中多跳宽带电力线通信***下进行数据传输的安全性低，电力线通信***中的通信数据易被偷窃的技术问题。

实施例三：

本发明实施例提供了一种设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器，用于根据程序代码中的指令执行上述所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法。

需要说明的是，处理器用于根据所程序代码中的指令执行上述的一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S1至S4。或者，处理器执行计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图10所示单元101至104的功能。

示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。

终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个所述通信参数构建与每个所述通信信道一一对应的信道传递函数，各个所述通信参数结合MK模型对各个所述信道传递函数构建实际信道模型；

S2.依据所述实际信道模型建立电力线通信***模型；

S3.将联合收发矩阵输入所述电力线通信***模型中得到目标函数；

S4.对所述目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到所述电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

2.根据权利要求1所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，所述通信参数包括各个所述通信信道的路径数量、路径的传输距离、信号频率和通信节点；

其中，所述通信节点能用于窃听用户窃取所述通信信道上的传输数据。

3.根据权利要求2所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，根据如下公式作为多跳宽带电力线的所述实际信道模型：

其中，i为路径的编号，g_i为每条路径的加权系数且数值为不大于1的自然数，A(f，d_i)为所述通信信道的衰减系数，α₀、α₁和k均是衰减参数，k为0.5～1，d_i为第i条路径的传输距离，τ_i为路径i上的时延

c₀为光速，ε_r为所述多跳宽带电力线的介电常数。

4.根据权利要求2所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，所述电力线通信***模型包括发射端、中继和接收端，基于加性高斯白噪声对所有的用于接收数据的所述通信节点的均值为零和方差σ²进行处理，得到所述发射端、所述中继和所述接收端它们之间链路的信道矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，所述联合收发矩阵包括发射预编码矩阵、中继编码矩阵和接收滤波矩阵；所述目标函数包括各发射功率的约束、通信通道数的约束以及对窃听用户均方误差的约束，在满足发射端和中断端的传输功率约束，所述目标函数为：

s.t.∶MSE_e,k≥ε_k

其中，K为不小于1的自然数，{U_k}为所述发射预编码矩阵，{V_m}为所述中继编码矩阵，{W_k}为所述接收滤波矩阵，{W_e，k}为所述窃听用户的接收滤波矩阵，MSE_k为接收端对所述多跳宽带电力线上传输数据的均方误差，MSE_e，k为所述窃听用户对传输数据的均方误差，

为发射端的发射功率，

为中断端的发射功率，P_sk为发射端的最大发射功率，P_rm为中断端的最大发射功率，ε_k为MSE_e，k的最小值。

6.根据权利要求5所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，根据所述迭代分布式算法对所述目标函数进行优化求解的步骤包括：

S41.对所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值，并采用所述迭代分布式算法计算出所述接收滤波矩阵的最优线性矩阵；

S42.根据所述目标函数，求解得到所述窃听用户的优化接收滤波矩阵；

S43.基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和在所述步骤S41迭代得到的所述中继编码矩阵，再采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的发射预编码矩阵；

S44，基于所述最优线性矩阵、所述优化接收滤波矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵，采用所述迭代分布式算法计算得到优化后的中继编码矩阵。

7.根据权利要求6所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，根据所述迭代分布式算法计算步骤包括：

S01.初始化，设置迭代计数器n＝0，接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁾＝0，所述发射预编码矩阵和所述中继编码矩阵的矩阵变量设置初始值为

和

S02.根据所述目标函数获得的所述发射预编码矩阵

和所述中继编码矩阵

计算得到所述窃听用户的接收滤波矩阵

和所述接收滤波矩阵

S03.根据所述步骤S02中迭代获得的

与

和

对所述目标函数进行优化，得到更新后的发射预编码矩阵

S04.根据获得的

和

对所述目标函数进行优化，更新得到

并计算所述接收端的均方误差TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾；

S05.若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾≤ξ，结束所述迭代分布式算法计算；若TMSE⁽ⁿ⁺¹⁾-TMSE⁽ⁿ⁾>ξ，n＝n+1，执行所述步骤S02；

其中，ξ为给定的前后两次迭代的数值差。

8.根据权利要求6所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法，其特征在于，根据所述最优线性矩阵、所述优化后的中继编码矩阵和所述优化后的发射预编码矩阵求解所述窃听用户和合法用户接收端的通信速率，根据以下公式求解得出所述合法用户接收端的通过所述多跳宽带电力线传输数据的安全速率，且安全速率大于0；安全速率的公式为：

RateD_k＝max(0，comD_k)-max(0，comE)，k＝1，......k

其中，comD_k为所述合法用户接收端的通信速率，comE为所述窃听用户的通信速率。

9.一种基于电力线通信的多跳数据安全传输装置，应用于台区的移动终端和电能表之间的通信数据传输，其特征在于，包括：

实际信道模型单元，用于根据获取多跳宽带电力线上各个通信信道的信道状态信息和通信参数，依据各个所述通信参数构建与每个所述通信信道一一对应的信道传递函数，各个所述通信参数结合MK模型对各个所述信道传递函数构建实际信道模型；

电力线通信***模型单元，用于依据所述实际信道模型建立电力线通信***模型；

建立目标函数单元，用于将联合收发矩阵输入所述电力线通信***模型中得到目标函数；

计算单元，用于根据所述目标函数采用迭代分布式算法进行优化求解，得到所述电力线通信***模型上多跳数据安全传输的安全速率。

10.一种设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-8任一项所述的基于电力线通信的多跳数据安全传输方法。

Images