CN104539337A - 多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，包括：首先，合法用户利用信道估计技术估计出基站到合法用户的信道向量，然后根据信道估计误差、基站天线数目、信号的发送功率和速率损失阈值计算出反馈信道信息所需比特数。其次，合法用户将基站至其的信道信息进行归一化，接着根据已计算的比特数，采用随机向量量化方法量化归一化的信道信息，并将量化索引号分别反馈给基站。最后，基站利用索引号从码本簿中得到量化的发送预编向量。本发明由于同时考虑信道估计与有限反馈，故本发明的安全系统性能更贴近真实系统，有更高的实用价值。

Description

多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法

技术领域

本发明属于多天线安全通信系统中的预编码传输方法，具体来说，涉及一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法。

背景技术

由于无线通信系统的开发性，无线通信系统的安全性受到研究者越来越广泛的关注。而传统的安全技术主要是采用密码学技术，但其复杂度比较高。为此，有关学者们从信息论的角度提出了物理层安全技术。

从物理层安全技术可知，当合法用户的信道质量好于窃听用户的信道时，安全通信系统的速率大于0。但在实际通信系统中，并不能保证上述的条件一定成立。为此，研究者们提出多种技术来克服这种情况，其中一项主要技术是采用人工噪声(AN)干扰窃听用户的信道质量。

然而，人工噪声技术能够最大限度地提高系统容量需要得到基站到合法用户的完美信道信息。而在实际的无线通信系统，特别是在频分双工(FDD)系统中，无论是接收端还是发送端都很难得到完美信道信息。接收端用信道估计方法得到信道的估计值，然后用通过反馈信道将估计的信道信息反馈给发送端。在实际系统中，发送端发送正交导频信号，接收端根据接收到的导频信号，运用最小均方误差(MMSE)或线性最小均方误差(LMMSE)等方法来估计出信道信息。另外，实际系统中为了减少反馈量，接收端通常采用有限反馈方法将信道信息估计值反馈给发送端，即接收端将估计的信道信息进行量化，然后将量化后的信息通过有限的比特反馈给发送端，最后发送端根据反馈信息恢复出估计信道信息的量化值。

在实际无线通信系统中，通常采用信道估计和有限反馈技术得到信道信息，从而带来信道估计误差与量化误差，并会对无线中继系统性能产生影响，降低中继系统的容量。因此，我们需要评估同时存在信道估计误差与量化误差时对系统造成的速率损失，并据此设计有限反馈策略，以获得可控的速率损失。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，以获得可控的速率损失。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，该传输方法包括以下步骤：

步骤1)基站配置M根天线，合法用户和窃听者均配置单天线，基站至合法用户的完美信道向量为h，基站至窃听者的完美信道向量为g；其中，M为正整数；

步骤2)合法用户通过基站发送的λM个正交导频信号估计基站至合法用户的信道，得到估计信道向量其中，λ表示所对应的每根天线进行信道估计时所采用的导频符号数目；合法用户依据式(1)计算出信道量化所需比特数B：

B＝(M-1)[log₂ξ-log₂(ξ-D)]    式(1)

其中， $\mathrm{\ξ}=b+M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2),D=M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2)+{\mathrm{\φ}}_1{\mathrm{\σ}}_e^2+(M-1){\mathrm{\φ}}_2{\mathrm{\σ}}_e^2+1,$ 表示合法用户的信道估计误差，φ₁表示有用信号的功率，φ₁＝αP，φ₂表示人工噪声的功率，P表示基站的信号总发送功率，α表示基站的有用信号功率的分配因子，安全通信系统的速率损失阈值为log₂bbps/Hz；

步骤3)合法用户根据式(1)计算出量化所需比特数B，用长度为2^B的码本量化归一化向量得到量化值在码本中的索引号，符号||||表示向量的模，合法用户将量化的索引号通过上行信道反馈给基站，基站根据索引号从码本中得到向量的量化值从而得到有用信号的发送预编码向量f和人工噪声的发送预编码矩阵W，其中，矩阵的所有列组成了向量零空间的标准正交基；

步骤4)基站得到f和W后，发送信号向量为其中s为有用信号，a为人工噪声，φ₁＝αP，合法用户的接收信号为 ${\tilde{y}}_b=\sqrt{{\mathrm{\φ}}_1}{h}^H\hat{h}s+\sqrt{{\mathrm{\φ}}_2}{h}^H{\hat{h}}_{\⊥}a+z_b;$ 窃听用户的接收信号为 其中，z_b为合法用户的噪声，z_e为窃听用户的噪声，上标H表示矩阵的共轭转置。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1)本发明方法根据基站和中继站的信道估计正交导频数、发射功率、天线数，以及限定的性能损失阈值等信息确定基站和中继反馈的比特数，然后依据计算的比特数量化信道信息，可以将安全系统的损失速率控制在不大于log₂bbps/Hz的范围内。

2)本发明中窃听者的接收端噪声方差为任意不小于0的值，与现有的只考虑窃听者接收端噪声方差为0的研究成果相比，其适用范围更广。

3)本发明方法同时研究信道估计误差与有限反馈对安全通信系统的影响，而对于部分实际系统，特别是频分双工(FDD)系统，由于发送端必须通过接收端的反馈来得到下行信道的估计信息，故本方法对于实际系统更具有指导意义。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明的实施例中，合法用户按比例反馈信道信息，安全通信系统可达速率随基站发射功率增大而变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，包括以下步骤：

步骤1)基站配置M根天线，合法用户和窃听者均配置单天线，基站至合法用户的完美信道向量为h，基站至窃听者的完美信道向量为g；其中，M为正整数；

步骤2)合法用户通过基站发送的λM个正交导频信号估计基站至合法用户的信道，得到估计信道向量其中，λ表示所对应的每根天线进行信道估计时所采用的导频符号数目；合法用户依据式(1)计算出信道量化所需比特数B：

B＝(M-1)[log₂ξ-log₂(ξ-D)]    式(1)

其中， $\mathrm{\ξ}=b+M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2),D=M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2)+{\mathrm{\φ}}_1{\mathrm{\σ}}_e^2+(M-1){\mathrm{\φ}}_2{\mathrm{\σ}}_e^2+1,$ 表示合法用户的信道估计误差，φ₁表示有用信号的功率，φ₁＝αP，φ₂表示人工噪声的功率，P表示基站的信号总发送功率，α表示基站的有用信号功率的分配因子，安全通信系统的速率损失阈值为log₂bbps/Hz；

步骤3)合法用户根据式(1)计算出量化所需比特数B，用长度为2^B的码本量化归一化向量得到量化值在码本中的索引号，符号||||表示向量的模，合法用户将量化的索引号通过上行信道反馈给基站，基站根据索引号从码本中得到向量的量化值从而得到有用信号的发送预编码向量f和人工噪声的发送预编码矩阵W，其中，矩阵的所有列组成了向量零空间的标准正交基；

步骤4)基站得到f和W后，发送信号向量为其中s为有用信号，a为人工噪声，φ₁＝αP，合法用户的接收信号为 ${\tilde{y}}_b=\sqrt{{\mathrm{\φ}}_1}{h}^H\hat{h}s+\sqrt{{\mathrm{\φ}}_2}{h}^H{\hat{h}}_{\⊥}a+z_b;$ 窃听用户的接收信号为 其中，z_b为合法用户的噪声，z_e为窃听用户的噪声，上标H表示矩阵的共轭转置。

本发明的工作原理为合法用户运用信道估计技术得到估计的信道信息，然后进行量化后通过上行信道反馈给基站。基站利用得到的反馈信道信息，设计有用信号的预编码向量与人工噪声的预编码矩阵，从而使得损失速率控制在特定的范围内，其中，合法用户进行量化反馈的比特数根据式(1)计算。

人工噪声是指人为加上的噪声，用于降低窃听者的接收信号信噪比，干扰窃听者的接收信号。

本发明的非完美信道信息条件下MIMO安全系统的有限反馈传输方法，按以下步骤完成该传输。首先，合法用户利用信道估计技术估计出基站到合法用户的信道向量，然后根据信道估计误差、基站天线数目、信号的发送功率和速率损失阈值计算出反馈信道信息所需比特数。其次，合法用户将基站至其的信道信息进行归一化，接着根据已计算的比特数，采用随机向量量化(RVQ)方法量化归一化的信道信息，并将量化索引号分别反馈给基站。最后，基站利用索引号从码本簿中得到量化的发送预编向量。本发明由于同时考虑信道估计与有限反馈，故本发明的安全系统性能更贴近真实系统，有更高的实用价值。

下面例举实施例。

采用本发明的传输方法，其中，M＝4，λ＝3，α＝0.5，预定的速率损失阈值为2bps/Hz(即b＝4)。

采用本发明的传输方法和反馈比特数固定的传输方法，分别进行系统可达速率测试。测试结果如图2所示。图2中，横坐标表示通信系统的信噪比，单位：dB；纵坐标表示安全速率，单位：bps/Hz。

图2中，每条曲线代表的含义分别为：带空心圆的曲线表示完美信道信息(没有信道估计误差与有限反馈误差)条件下的安全通信系统可达速率；带正三角形的曲线表示预定的速率损失阈值为2bps/Hz、λ＝3时，采用本发明的传输方法时的安全通信系统可达速率；带五角星的曲线表示表示采用固定比特数(B＝10)进行量化时的安全通信系统可达速率；带菱形的曲线表示采用固定比特数(B＝6)进行量化时的安全通信系统可达速率。从由图2中可以看出，当固定反馈比特数为6(B＝6)、发送功率分别为P＝25dB、P＝30dB时，系统的总损失速率分别约为5.5bps/Hz、7bps/Hz。而采用本发明的方法，系统的总损失速率可分别控制在2bps/Hz。所以固定反馈比特数会造成高信噪比区域，系统性能损失的急剧恶化，而本发明提出的按比例反馈比特方法能够有效控制信道量化造成的性能损失。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，其特征在于，该传输方法包括以下步骤：

步骤1)基站配置M根天线，合法用户和窃听者均配置单天线，基站至合法用户的完美信道向量为h，基站至窃听者的完美信道向量为g；其中，M为正整数；

步骤2)合法用户通过基站发送的λM个正交导频信号估计基站至合法用户的信道，得到估计信道向量其中，λ表示所对应的每根天线进行信道估计时所采用的导频符号数目；合法用户依据式(1)计算出信道量化所需比特数B：

B＝(M-1)[log₂ξ-log₂(ξ-D)]   式(1)

其中, $\mathrm{\ξ}=b+M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2),D=M{\mathrm{\φ}}_2(1-{\mathrm{\σ}}_e^2)+{\mathrm{\φ}}_1{\mathrm{\σ}}_e^2+(M-1){\mathrm{\φ}}_2{\mathrm{\σ}}_e^2+1,$ 表示合法用户的信道估计误差，φ₁表示有用信号的功率，φ₁＝αP,φ₂表示人工噪声的功率，P表示基站的信号总发送功率，α表示基站的有用信号功率的分配因子，安全通信系统的速率损失阈值为log₂b bps/Hz；

步骤3)合法用户根据式(1)计算出量化所需比特数B,用长度为2^B的码本量化归一化向量得到量化值在码本中的索引号，符号||||表示向量的模，合法用户将量化的索引号通过上行信道反馈给基站，基站根据索引号从码本中得到向量的量化值从而得到有用信号的发送预编码向量f和人工噪声的发送预编码矩阵W，其中，矩阵的所有列组成了向量零空间的标准正交基；

步骤4)基站得到f和W后，发送信号向量为其中s为有用信号，a为人工噪声，φ₁＝αP，合法用户的接收信号为 窃听用户的接收信号为 其中，z_b为合法用户的噪声，z_e为窃听用户的噪声，上标H表示矩阵的共轭转置。