CN105846872A - 一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法，该全双工保密通信系统包括第一信源、第二信源和窃听者，该方法包括：第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤、第二信源的发射预编码矩阵搜索步骤、安全和速率计算步骤以及发射预编码矩阵输出步骤。

Description

一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法

技术领域

本发明涉及全双工保密通信技术领域，尤其涉及一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法。

背景技术

附图1示出了一个全双工全双工保密保密通信系统，该系统包括全双工的第一信源和第二信源，还包括窃听者，其中第一信源和第二信源同时发送和接收信息。第一信源和第二信源均具有N根发送天线，第一信源、第二信源和窃听者的接收天线均是单天线。

对于附图1所示的通信系统而言，存在的技术问题是：如何优化第一信源和第二信源的发射预编码矩阵(也叫协方差矩阵)，从而在保证安全的情况下降低干扰，使得系统容量最大化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法，以解决上述的技术问题。

本发明的一个实施例提供了一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法，该全双工保密通信系统包括第一信源、第二信源和窃听者，该方法包括：第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第二信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第一信源的发射预编码矩阵，使得在第一信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第一信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，全双工保密通信系统的安全和速率最大；第二信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第一信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第二信源的发射预编码矩阵，使得在第二信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第二信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，全双工保密通信系统的安全和速率最大；安全和速率计算步骤：根据一轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵计算全双工保密通信系统的安全和速率；以及发射预编码矩阵输出步骤：当最近两次计算得到的全双工保密通信系统的安全和速率的差值不超过预先设定的门限值时，输出最近一轮更新得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1为全双工全双工保密保密通信系统的示意图；

图2为本发明的用于全双工保密通信系统的发射预编码方法的一个实施例的流程图；

图3所示为本发明的用于全双工保密通信系统的发射预编码过程中的第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤的一个实施例的流程图；

图4所示为本发明的第一信源的发射预编码矩阵搜索过程中的二分搜索步骤的一个实施例的流程图。

在附图中，使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元素。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

参考图2，图2为本发明的用于全双工保密通信系统的发射预编码方法的一个实施例200的流程图。图2所示的实施例200可以包含如下步骤201至204。

需要先说明的是，在执行本发明方法的过程中，一些物理量是可以保持不变的。它们可以是预先设定的，也可以是由其他方法或装置所提供的。比如：第一信源的自干扰传输信道矢量h_aa，第一信源到第二信源的传输信道矢量h_ab，第一信源到窃听者的传输信道矢量h_ae；第二信源的自干扰传输信道矢量h_bb，第二信源到第一信源的传输信道矢量h_ba，第二信源到窃听者的传输信道矢量h_be；第一信源的接收端噪声方差第二信源的接收端噪声方差窃听者的接收端噪声方差第一信源的自干扰抑制因子ζ_a和第二信源的自干扰抑制因子ζ_b；第一信源的发射预编码矩阵Q_a的初始值和第二信源的发射预编码矩阵Q_b的初始值第一信源和第二信源的最大发射功率P_a和P_b；对Q_a、Q_b进行更新的终止门限ε₁；二分搜索过程的终止门限ε₂。下文中的字母、符号的含义，如无特别解释，均与这里的含义相同。

步骤201是第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第二信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第一信源的发射预编码矩阵，使得在第一信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第一信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，全双工保密通信系统的安全和速率最大。

具体来说，该搜索步骤可以用如下关系式来描述：

$\begin{array}{cc}\underset{Q_a}{\max }& R_a(Q_a,Q_b)+R_b(Q_a,Q_b)-R_e(Q_a,Q_b)\\ s.t.& Tr\left(Q_a\right)\≤P_a\\ & Q_a\≥0\end{array},$

其中，R_a(Q_a,Q_b)＝log(1+SINR_a(Q_a,Q_b))，R_b(Q_a,Q_b)＝log(1+SINR_b(Q_a,Q_b))，

R_a(Q_a,Q_b)+R_b(Q_a,Q_b)-R_e(Q_a,Q_b)表示全双工保密通信系统的安全和速率，SINR_a()表示第一信源的接收端的信干比，SINR_b()表示第二信源的接收端的信干比，SINR_e()表示窃听者的接收端的信干比，Tr()表示求矩阵的迹，Q_a≥0表示第一信源的发射预编码矩阵Q_a为半正定矩阵。

在本发明的一个实施例中，参考图3，步骤201可以包含如下子步骤301至302。

子步骤301是固定量计算步骤：根据下列公式计算出在一轮搜索中固定不变的量n和N：

${\stackrel{\‾}{h}}_{ab}={({\mathrm{\σ}}_n^2+{\mathrm{\ζ}}_b{h}_{bb}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{bb})}^{-\frac{1}{2}}{h}_{ab},{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}={({\mathrm{\σ}}_e^2+h_{be}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{be})}^{-\frac{1}{2}}{h}_{ae},{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}={\left(\frac{{\mathrm{\ζ}}_a}{h_{be}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{be}}\right)}^{\frac{1}{2}}{h}_{aa},$

$n=\frac{{\mathrm{\σ}}_a^2}{h_{ba}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{ba}},N=\frac{{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H}{(1+n+{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa})(n+{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa})}+\frac{{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H}{1+{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}}.$

其中，为第k轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵，为第k轮搜索得到的第二信源的发射预编码矩阵。

所谓一轮搜索，指的是将步骤201和步骤202执行一遍、Q_a和Q_b均完成一轮更新。

子步骤302是二分搜索步骤：用二分法搜索满足下式要求的第一信源的发射预编码矩阵

$\begin{array}{c}\underset{Q_a}{\max }\log (1-{\stackrel{\‾}{h}}_{ab}^H{Q}_a^{(k+1)}{\stackrel{\‾}{h}}_{ab})-Tr\left({\mathrm{NQ}}_a^{(k+1)}\right)\\ s.t.Tr\left(Q_a^{(k+1)}\right)\≤P_a,Q_a^{(k+1)}\≥0\end{array}$

其中，log()表示求对数，表示第k+1轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵。

在本发明的一个实施例中，参考图4，子步骤302可以进一步包括如下子步骤401至404。

子步骤401是二分搜索界限初始化步骤：二分搜索的下限的初始值η_l＝0，上限的初始值η_u＝η_max，其中，η_max为预先设定的二分搜索上限的最大值。

子步骤402是第一信源的发射预编码矩阵的可行值计算步骤：根据如下公式计算第一信源的发射预编码矩阵的可行值

η＝(η_l+η_u)/2

${\tilde{h}}_{ab}={(N+\mathrm{\η}I)}^{-\frac{1}{2}}{\stackrel{\‾}{h}}_{ab}$

$\mathrm{\γ}={\[\frac{\left|\right|{\tilde{h}}_{ab}|{|}^2-1}{\left|\right|{\tilde{h}}_{ab}|{|}^4}\]}^{+}$

${\stackrel{\‾}{Q}}_a=\mathrm{\γ}{\tilde{h}}_{ab}{\tilde{h}}_{ab}^H$

${\tilde{Q}}_a^{*}={(N+\mathrm{\η}I)}^{-\frac{1}{2}}{\stackrel{\‾}{Q}}_a{(N+\mathrm{\η}I)}^{-\frac{1}{2}}$

其中，Ι为单位矩阵，为的共轭转置，

子步骤403是二分界限调整步骤：当时，η_l＝η_l，η_u＝(η_l+η_u)/2；否则η_l＝(η_l+η_u)/2，η_u＝η_u。

子步骤404是二分搜索判断输出步骤：当η_u-η_l超过预先设定的二分搜索门限值ε₂时，返回子步骤401；否则，将作为第k+1轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵输出。

步骤202是第二信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第一信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第二信源的发射预编码矩阵，使得在第二信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第二信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，全双工保密通信系统的安全和速率最大。

步骤202的执行过程可以和步骤201的执行过程完全相同。只是在步骤202中，是将Q_b固定不变来搜索Q_a。这里就不再赘述。

步骤203是安全和速率计算步骤：根据一轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵计算全双工保密通信系统的安全和速率。

在本发明的一个实施例中，可以根据如下公式计算全双工保密通信系统的安全和速率：

$R_2={\[R_a(Q_a^{(k+1)},Q_b^{(k+1)})+R_b(Q_a^{(k+1)},Q_b^{(k+1)})-R_e(Q_a^{(k+1)},Q_b^{(k+1)})\]}^{+}$

步骤204是发射预编码矩阵输出步骤：当最近两次计算得到的全双工保密通信系统的安全和速率的差值不超过预先设定的门限值时，输出最近一轮更新得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵。

比如，如果用R₂表示根据最近一轮更新的Q_a和Q_b得到的全双工保密通信系统的安全和速率，用R₁表示根据上一轮更新的Q_a和Q_b得到的全双工保密通信系统的安全和速率，则当|R₂-R₁|≤ε₁时，可以输出最近一轮更新得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵，该发射预编码矩阵可以分别用于对第一信源和第二信源的发射预编码。

如果|R₂-R₁|＞ε₁，则可以返回步骤201，开始对Q_a和Q_b进行新的一轮更新。

全双工保密通信系统的安全和速率的初始值可以运用上述的安全和速率计算公式并根据和计算得到。

至此描述了根据本发明实施例的用于全双工保密通信系统的发射预编码方法。相对于现有的用于全双工保密通信系统的发射预编码方法而言，本发明方法相对于现有方法的有益技术效果是：

1、能够在存在自干扰的情况下完成全双工保密通信系统的发射预编码；

2、能够在系统存在窃听者的情况下极大化系统的安全和速率；

3、计算复杂度较低。

Claims (3)

1.一种用于全双工保密通信系统的发射预编码方法，所述全双工保密通信系统包括第一信源、第二信源和窃听者，其特征是，所述方法包括：

第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第二信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第一信源的发射预编码矩阵，使得在第一信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第一信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，所述全双工保密通信系统的安全和速率最大；

第二信源的发射预编码矩阵搜索步骤：将第一信源的发射预编码矩阵固定不变，搜索第二信源的发射预编码矩阵，使得在第二信源的最大发射功率不超过预先设定的上限值且第二信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵的前提条件下，所述全双工保密通信系统的安全和速率最大；

安全和速率计算步骤：根据一轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵计算全双工保密通信系统的安全和速率；以及

发射预编码矩阵输出步骤：当最近两次计算得到的全双工保密通信系统的安全和速率的差值不超过预先设定的门限值时，输出最近一轮更新得到的第一信源的发射预编码矩阵和第二信源的发射预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述第一信源的发射预编码矩阵搜索步骤进一步包括：

固定量计算步骤：根据下列公式计算在一轮搜索中固定不变的量 n和N：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{h}}_{ab}={({\mathrm{\σ}}_b^2+{\mathrm{\ζ}}_b{h}_{bb}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{bb})}^{-\frac{1}{2}}{h}_{ab},{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}={({\mathrm{\σ}}_e^2+h_{be}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{be})}^{-\frac{1}{2}}{h}_{ae},{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}={\left(\frac{{\mathrm{\ζ}}_a}{h_{ba}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{ba}}\right)}^{\frac{1}{2}}{h}_{aa},\\ n=\frac{{\mathrm{\σ}}_a^2}{h_{ba}^H{Q}_b^{\left(k\right)}{h}_{ba}},N=\frac{{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H}{(1+n+{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa})(n+{\stackrel{\‾}{h}}_{aa}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{aa})}+\frac{{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}^H}{1+{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}^H{Q}_a^{\left(k\right)}{\stackrel{\‾}{h}}_{ae}};\end{array}$

其中，h_aa为第一信源的自干扰传输信道矢量，h_ab为第一信源到第二信源的传输信道矢量，h_ae为第一信源到窃听者的传输信道矢量；h_bb为第二信源的自干扰传输信道矢量，h_ba为第二信源到第一信源的传输信道矢量，h_be为第二信源到窃听者的传输信道矢量；为第一信源的接收端噪声方差，为第二信源的接收端噪声方差，为窃听者的接收端噪声方差；ζ_a为第一信源的自干扰抑制因子，ζ_b为第二信源的自干扰抑制因子；为第k轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵，为第k轮搜索得到的第二信源的发射预编码矩阵；以及二分搜索步骤：用二分法搜索满足下式要求的第一信源的发射预编码矩阵

$\begin{array}{c}\underset{Q_a}{\max }\log (1+{\stackrel{\‾}{h}}_{\mathrm{ab}}^H{Q}_a^{(k+1)}{\stackrel{\‾}{h}}_{\mathrm{ab}})-\mathrm{Tr}\left({\mathrm{NQ}}_a^{(k+1)}\right)\\ s.t.\mathrm{Tr}\left(Q_a^{(k+1)}\right)\≤P_a,Q_a^{(k+1)}\≥0\end{array}$

其中，P_a为第一信源的最大发射功率，log()表示求对数，Tr()表示求矩阵的迹，表示第k+1轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵为半正定矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述二分搜索步骤进一步包括：

二分搜索界限初始化步骤：二分搜索的下限的初始值η_l＝0，上限的初始值η_u＝η_max，其中，η_max为预先设定的二分搜索上限的最大值；

第一信源的发射预编码矩阵的可行值计算步骤：根据如下公式计算第一信源的发射预编码矩阵的可行值

η＝(η_l+η_u)/2

${\tilde{h}}_{ab}={(N+\mathrm{\η}I)}^{-\frac{1}{2}}{\stackrel{\‾}{h}}_{ab}$

$\mathrm{\γ}={\[\frac{\left|\right|{\tilde{h}}_{ab}|{|}^2-1}{\left|\right|{\tilde{h}}_{ab}|{|}^4}\]}^{+}$

${\stackrel{\‾}{Q}}_a=\mathrm{\γ}{\tilde{h}}_{ab}{\tilde{h}}_{ab}^H$

${\tilde{Q}}_a^{*}={(N+\mathrm{\η}I)}^{-\frac{1}{2}}{\stackrel{\‾}{Q}}_a{(N+\mathrm{\η}I)}^{\frac{1}{2}}$

其中，Ι为单位矩阵，为的共轭转置，

二分界限调整步骤：当时，η_l＝η_l，η_u＝(η_l+η_u)/2；否则η_l＝(η_l+η_u)/2，η_u＝η_u；

二分搜索判断输出步骤：当η_u-η_l超过预先设定的二分搜索门限值时，返回所述第一信源的发射预编码矩阵的可行值计算步骤；否则，将作为第k+1轮搜索得到的第一信源的发射预编码矩阵输出。