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深度学习辅助的随机频率分集阵列下的三维无线安全传输

胡锦松 蒋宛伶 陈由甲 徐艺文 赵铁松 束锋

胡锦松, 蒋宛伶, 陈由甲, 徐艺文, 赵铁松, 束锋. 深度学习辅助的随机频率分集阵列下的三维无线安全传输[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(6): 2063-2070. doi: 10.11999/JEIT220457
引用本文: 胡锦松, 蒋宛伶, 陈由甲, 徐艺文, 赵铁松, 束锋. 深度学习辅助的随机频率分集阵列下的三维无线安全传输[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(6): 2063-2070. doi: 10.11999/JEIT220457
HU Jinsong, JIANG Wanling, CHEN Youjia, XU Yiwen, ZHAO Tiesong, SHU Feng. 3D Wireless Secure Transmission under Random Frequency Diversity Array Assisted by Deep Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(6): 2063-2070. doi: 10.11999/JEIT220457
Citation: HU Jinsong, JIANG Wanling, CHEN Youjia, XU Yiwen, ZHAO Tiesong, SHU Feng. 3D Wireless Secure Transmission under Random Frequency Diversity Array Assisted by Deep Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(6): 2063-2070. doi: 10.11999/JEIT220457

深度学习辅助的随机频率分集阵列下的三维无线安全传输

doi: 10.11999/JEIT220457
基金项目: 国家自然科学基金(62001116, 62071234, 62171134), 福建省自然科学基金(2020J05106)
详细信息
    作者简介:

    胡锦松:男,博士,讲师,研究方向为无线通信与深度学习、隐蔽通信、物理层安全、天线阵列信号处理等

    蒋宛伶:女,硕士生,研究方向为无线通信与深度学习、物理层安全、天线阵列信号处理等

    陈由甲:女,博士,博士生导师,教授,研究方向为移动通信、边缘计算、工业物联网、深度学习等

    徐艺文:男,博士,博士生导师,教授,研究方向为视频编码与传输、触感信息编码、人工智能与大数据分析等

    赵铁松:男,博士,博士生导师,教授,研究方向为无线通信与深度学习、智能视频编码、计算机视觉等

    束锋:男,博士,博士生导师,教授,研究方向为无线信息安全传输、大规模MIMO、无人机通信、无线定位技术等

    通讯作者:

    陈由甲 youjia.chen@fzu.edu.cn

  • 中图分类号: TN92

3D Wireless Secure Transmission under Random Frequency Diversity Array Assisted by Deep Learning

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62001116, 62071234, 62171134), The Natural Science Foundation of Fujian Province (2020J05106)
  • 摘要: 针对相控阵列辅助的无线通信系统中发射波束只依赖角度特性而导致的安全隐患问题,以及传统的迭代算法所带来的高计算复杂度问题,该文提出由深度学习(DL)和随机频率分集阵列(RFDA)辅助带有3维安全区域的安全传输方案。首先,推导在3维空间中带有安全区域的期望用户实现安全通信的传输条件。在此基础上,构建系统安全速率下界最大化问题。随后,提出基于深度学习的神经网络方案来设计最优的波束成形矢量和人工噪声(AN)矢量来降低计算复杂度。仿真结果表明:即便是在窃听者位于安全区域边缘的最差情况下,所提方案仍能够在实现3维安全传输,能够保证安全区域内接收到的信息不被窃听。
  • 图  1  基于RFDA实现方向调制的通信系统框图

    图  2  神经网络结构及训练方式

    图  3  不同发射天线和发射功率下系统安全速率与功率分配因子的关系

    图  4  不同发射功率下系统总天线数量和期望安全速率的关系

    图  5  不同${F_{{{xy}}}}$值下系统安全速率和系统发射功率的关系

    表  1  所提神经网络模型参数

    层名输出维度激活函数
    输入层$ 64 \times 2 $
    批量标准化层$ 64 \times 2 $
    扁平层$ 128 \times 1 $
    批量标准化层$ 128 \times 1 $
    隐藏层1$ 256 \times 1 $ReLU
    批量标准化层$ 256 \times 1 $
    隐藏层2$ 128 \times 1 $ReLU
    输出层$ 128 \times 1 $
    自定层$ 128 \times 1 $
    下载: 导出CSV
    算法1 求解优化问题式(41)的鲁棒算法
     输入:完美无线信道系数$ h $、非完美的信道状态信息$ \hat h $以及安全
        传输条件$ \eta $;
     输出:输出训练完成的神经网络;
     (1) 初始化神经网络;
     (2) While $i \le T$ do
     (3)   While 训练数据全部进入神经网络 do
     (4)     从训练数据从采样$ K $个数据;
     (5)     计算自定义损失函数并更新神经网络参数;
     (6)   End While
     (7)   更新训练次数$ i = i + 1 $;
     (8) End While
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-18
  • 修回日期:  2022-06-17
  • 网络出版日期:  2022-06-24
  • 刊出日期:  2023-06-10

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