智能化无线通信信道安全容量控制仿真

2022-10-25魏丽英杨立华

计算机仿真 2022年9期

魏丽英，杨立华

(长春工业大学人文信息学院，吉林长春 130000)

1 引言

当前的无线通信技术应用范围越来越广泛，但是由于通信数据量的增多，通信信道更易出现拥堵问题，通信延迟问题普遍存在，因此为改善此现象，需进一步控制信道安全容量。

吴嘉鑫等人提出能量收集与协作网络安全容量优化方法。该方法采用基于协作通信和能量收集技术研究无线网络，根据通信信道的资源分析，发现主用户的安全容量需求大，而次用户可以采集通信节点，辅助主用户对节点的输送，输送结束后，主用户需要将节点的资源分发到次用户发送节点中，在确保次用户服务质量的基础上，控制主用户安全容量。但是该方法没有建立通信信道模型，信道分析效果不理想，导致出现无线通道信道利用率低的问题。刘留等人提出基于神经网络的时变无线信道仿真方法。，该方法先研究无线信道特性信息，并提升了无线信道容量传输性能，从而实现对无线信道容量的控制。但是该方法在应用中出现信道容量小问题。李明飞等人提出基于区块链的自组织网络多信道访问控制方法。该方法根据网络节点中的数据，采用区块链技术对其进行采集，并加密处理该数据，将加密后的数据输送到基站中，利用共识算法对其拷贝，完成对加密数据的存储，通过对新用户的授权机制、访问机制等步骤，实现信道容量控制。但是该方法存在信道抗干扰能力差的问题。

为了解决上述方法中存在的问题，提出新的智能化无线通信信道安全容量控制方法。

2 无线通信信道模型建立

1)无线通信信道模型

为了使无线通信信道能够得到有效分析，首先需要对无线通信信道进行建模，如图1所示。

图1 无线通信信道模型

根据图1所示，在无线通信信道系统中有发射天线根，接收天线根，而信号就处于无线通信信道的天线阵列中，此时信号()用方程定义为

()=[()，()，…，()]

(1)

方程中，[·]代表矩阵；()代表着在第根天线的信号。

那么接收端天线阵列中的信号()就是

()=[()，()，…，()]

(2)

式中，第根天线端口中的发射信号用()描述。

2)频率选择性信道模型

无线通信信道模型的信道矩阵可以表示如下

(3)

式中，代表信道矩阵代表复数矩阵，代表时延，代表时延信道系数，代表频率。同时()∈×。的矩阵如下所示

(4)

无线通信信道模型属于单输入单输出信道模型，与其它模型的区别在于无线通信信道模型代表一个矩阵，而矩阵的大小与无线通信信道模型两个端点的天线数量有关联。

首先对无线通道进行研究，通过散射体将发射端进行包围，并且对附近的散射物进行接收。在信道波束中禁止出现功率方位谱，因此利用上述条件，使遵从于高斯函数和拉普拉斯函数的分布，从而获得下列空间函数表达式。

通过研究发现，天线与天线之间一般会相差半个波长，比如，当无线通信发射时，若发射端的天线阵列方位角可以对平均的近似空间函数表达式进行计算，那么就是方位角的扩散函数，即∈[0，1]，因此当=0时，信号只来源于一个方向，当=1时，方位角中在[0°，360°]的范围之间均匀分布。因为无线通信在发射的过程中所处环境不够稳定，因此上述结果在天线阵列中是很有用的。

通过上述两个方程，对接收端及发射端的相关矩阵定义如下所示

(5)

(6)

由于空间函数中没有矩阵的数据信息，因此需要连接天线之间的传输系数

(7)

因此整个矩阵的函数表达式为

cov(())=(()())=⊗

(8)

式(8)为相关模型，()代表矢量化算子，⊗代表相关模型的运算符号。

通过统计特性相同的角度来看，信道能够表示为：=()12()12。式中，代表复高斯矩阵。

在无线通信信道空间中Kronecker相关模型可以分离发射端和接收端，从而开辟出一条单独的通信链路。天线相关系数ρ中包含指数形式、Salz-Winters形式等。

1)指数形式代表天线和之间的相关系数，通常用=|-|表示。式中，代表相关系数。

2)Salz-Winters形式是天线i和k之间的相关系数，通常被定义如下

(9)

式中，代表指数形式，代表波达角；代表天线，代表角度扩展，即=2π；代表两个天线之间的相邻距离；所代表波长。

在方程中，的数值越小，与方程=|-|越相近。

通过上述步骤建立无线通信信道模型，完成对无线通信信道的整体分析，为无线通信信道的安全容量控制提供依据。

3 智能化无线通信信道安全容量控制

利用智能化cluster态五粒子表示无线通信信道的量子信道，cluster态五粒子方程为

(10)

式中，代表智能量子信道，1～5代表五粒子。

Alice用作信息发送方，Bob作为信息接收方，而Cindy作为半忠诚的控制方，Cindy在测量的过程中，它的结果和测量行为都是忠诚的，不会出现其它作弊的行为。

1)准备阶段

在无线通信的过程中发送方Alice优化n组的五粒子cluster态，优化后的态可以定义如下

(11)

式中，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(=1，2，…，)代表在第组团簇态中的粒子。当制备出组团簇态时，需要制备出数量和数量的单光子态用作诱骗光子放置到两组粒子序列和中，诱骗光子位置定义如下

(12)

式中，序列的长度为2；序列的长度为2+，序列的长度为+，通过把制备完成对三组粒子序列发送到，序列发送到，自己对粒子序列进行保留。

2)智能化安全检测阶段

表1 三方参与者的测量结果

由Alice对Bob、Cindy测量结果的错误率进行统计，当错误率小于指定的阈值时，此时就是安全的，可以继续通信，若高于某个指定的阈值，就说明通信的过程中存在窃听行为，应该放弃该通信，以防信息外泄。

3)无线通信信道安全容量控制

根据粒子序列选用的不同基，利用Cindy对其进行测量，从而决定信道安全容量，实现智能化无线通信信道安全容量的控制。

4 结果及讨论

为了验证智能化无线通信信道安全容量控制仿真的整体有效性，进行仿真验证。

采用智能化无线通信信道安全容量控制仿真(方法1)、能量收集与协作网络安全容量优化技术(方法2)和基于神经网络的时变无线信道仿真(方法3)对无线通信信道安全容量控制进行对比测试。

通过上述对智能化无线通信信道的安全容量进行了控制，需要对控制后的无线通信信道的利用率进行有效测试。对比三种方法在不同数据帧下的信道利用率，具体测试如图2所示。

图2 无线通信信道利用率对比测试

根据图2中的数据可知，方法1在初始测试时，信道利用率就要高于方法2和方法3，在后续过程中方法1的波动轨迹也稳定上升，直到达成信道利用率的最高点，由此可见方法1的无线通信信道性能强。

假设共发射8个天线，通过反复迭代采用方法1、方法2和方法3对信道容量进行对比，如图3所示。

图3 不同方法的信道容量对比测试

分析图3中的数据可知，方法1、方法2和方法3在最初天线数量为1时，它们的信道容量相同，不过随着天线数量的增加方法1的信道容量逐渐上升，最终方法1的信道容量达到最高值，且信道容量要优于方法2和方法3。由此所述，方法1的信道容量要高于方法2和方法3，这是因为方法1通过建立模型对无线通信信道进行有效分析，从中获取了信道信息基础，进而对信道容量有着显著的提升。

通过上述实验发现方法1的信道容量要高于其余两个方法，为了验证实验的准确性，在上述实验的基础上在发射天线中加入20dB的噪声，采用三种方法对加入噪声后的信道容量进行比较，具体实验如图4所示。

图4 信道抗干扰能力测试

根据图4中的数据发现，加入20dB噪声后，方法1、方法2和方法3的初始信道容量全部有下降，但是方法1从第4个发射天线到第八个时，运动轨迹迅速上升，且在测试期间方法1的信道容量依然优于方法2和方法3，说明加入噪声后方法1的信道容量丝毫没有受到影响。方法2与方法3的初始信道容量依旧相同，但是从运动轨迹上看，方法2与方法3加入噪声后信道容量有所降低，且方法2的信道容量在三个方法中要低于方法1和方法3，由此可见加入噪声后对方法2的信道容量影响最大。