CN106301492B - 一种基于sm-mimo的数据传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于SM‑MIMO的数据传输方法及装置，该方法中通过对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵，根据该零空间矩阵及其对应的权值向量、以及随机信号，确定干扰信号，采用SM技术传输该干扰信号及待传输信号。由于在本发明实施例在待传输信号中添加了干扰信号，而该干扰信号是根据发送端到接收端的MIMO信道矩阵奇异值分解确定的，因此该干扰信号不会对接收端造成干扰，窃听者将受到该干扰信号的影响，从而提高了接收端的安全速率，保证了传输到接收端的数据的安全。

Description

一种基于SM-MIMO的数据传输方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统，特别涉及一种基于空间调制(Spatial Modulation，SM)-多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO)的数据传输方法及装置。

背景技术

随着无线通信技术的发展，人们对无线通信服务水平的要求也在不断提高，有限的频谱资源已经不再满足不断增加的对系统容量的需求。MIMO无线通信系统能够同时结合发射分集技术与接收分集技术，极大地提高通信系统的抗衰落性能。由于误码率降低，MIMO无线通信系统的数据传输会更加可靠；同时，MIMO可以在不增加通信系统发射机功率和不增加系统传输带宽的前提下，使得在衰落信道下的容量水平显著提高。基于众多的优势，MIMO系统已经成为新一代无线通信领域当中的一项重要技术。而SM-MIMO的空间传输特性在获得更好的频谱效率和更高的安全速率方面是一个很好的选择。

基于SM-MIMO可以通过传输预编码策略来提高安全速率，但是这种传输预编码策略是基于发送端到窃听者之间的信道状态信息(CSI)是已知的假设下的。而预先知道发送端到窃听者的CSI缺乏实用性，从而限制了传输预编码策略的使用。另外，随机预编码策略不需要预先知道发送端到窃听者的CSI，然而，因为随机编码器需要依靠实际的待传输信号，例如该待传输信号可以为二进制数据，所以这种策略使得接收端接收机变得非常复杂。

发明内容

本发明实施例公开了一种基于SM-MIMO的数据传输方法及装置，用以提高安全速率，并降低接收端接收机的复杂度。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种基于SM-MIMO的数据传输方法，应用于发送端，所述方法包括：

在每个时隙，对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵；

根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号；

采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号。

进一步地，所述随机信号为服从独立同分布的随机高斯源。

进一步地，所述零空间矩阵对应的权值向量的平方和为1。

进一步地，所述干扰信号的传输功率不大于所述待传输信号的传输功率。

进一步地，所述采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号包括：

对所述待传输信号进行调制；

传输所述调制后的待传输信号及所述干扰信号。

本发明实施例提供了一种基于空间调制SM-多输入多输出MIMO的数据传输装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于在每个时隙，对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵；

第二确定模块，用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号；

传输模块，用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号。

进一步地，所述第二确定模块，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及服从独立同分布的随机高斯源，确定干扰信号。

进一步地，所述第二确定模块，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号，其中零空间矩阵对应的权值向量的平方和为1。

进一步地，所述传输模块，具体用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号，其中所述干扰信号的传输功率不大于所述待传输信号的传输功率。

进一步地，所述传输模块，具体用于对所述待传输信号进行调制，传输所述调制后的待传输信号及所述干扰信号。

本发明实施例提供了一种基于SM-MIMO的数据传输方法及装置，该方法中通过对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵，根据该零空间矩阵及其对应的权值向量、以及随机信号，确定干扰信号，采用SM技术传输该干扰信号及待传输信号。由于在本发明实施例在待传输信号中添加了干扰信号，而该干扰信号是根据发送端到接收端的MIMO信道矩阵奇异值分解确定的，因此该干扰信号不会对接收端造成干扰，窃听者将受到该干扰信号的影响，从而提高了接收端的安全速率，保证了传输到接收端的数据的安全。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的SM-MIMO的数据传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于SM-MIMO的数据传输过程；

图3为本发明实施例提供采用QPSK调制，Alice的发送天线Nt＝4，Bob的接收天线Nr＝1，Eve的接收天线Ne＝1，2，4时，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系；

图4为本发明实施例提供的采用16QAM调制，Alice的发送天线Nt＝4，Bob的接收天线Nr＝2，Eve的接收天线Ne＝2，4时，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系；

图5为本发明实施例提供的采用16QAM调制，Alice的发送天线Nt＝8，Bob的接收天线Nr＝4，Eve的接收天线Ne＝4，8时，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系；

图6为本发明实施例提供的采用16QAM调制，Nt＝4，Nr＝2，Ne＝2，4，Eve接收机的BER与SNR的变化关系；

图7为本发明实施例提供的采用16QAM调制，Nt＝8，Nr＝4，Ne＝4，8，Eve与Bob接收机的BER与SNR的变化关系；

图8为本发明实施例提供的采用16QAM调制，Nt＝8Nr＝4Ne＝4，8，Eve与Bob接收机的BER与SNR的变化关系；

图9为本发明实施例提供的一种基于SM-MIMO的数据传输装置结构示意图。

具体实施方式

为了有效的提高接收端的安全速率，保证传输到接收端的数据的安全，本发明实施例提供了一种基于SM-MIMO的数据传输方法及装置。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

SM是一种新型的MIMO通信技术，其核心思想是发送端任何时刻都只有一根天线被激活用来发送数据，其余的天线都静默，活跃的天线可以作为信息源“隐形”地传递信号，接收端的任务是实现对发送端激活天线序号的估计和对接收到的信号的解调。

SM中发送的信息比特分成两个部分：一部分映射到传统的数字调制星座图上，其余的比特映射到天线序号生成的空间维上。空间调制完全避免了信道间干扰，不需要发射天线间较高的同步性。

SM是在传统调制方式的基础上进行了扩展。像MPSK、MQAM等传统的调制方式是将一定数目的比特序列映射为二维信号空间上的一个星座点，SM是在这些传统调制方式的二维空间基础上又增加了空间维，即用天线的空间位置作为信息源来传递信息，从而构造了一个三维星座图。

SM在提高频谱效率的同时有效地避免了信道间干扰和天线间的同步问题。SM-MIMO技术的传输特性可以提高物理层的安全容量，并且，SM-MIMO相对于传统单天线传输来说，可以获得更好的安全容量。

本发明实施例提供了一种基于SM-MIMO的数据传输方法，可以有效的提高接收端的安全速率。图1为本发明实施例提供的SM-MIMO的数据传输系统的结构示意图，在该系统中包括：作为源节点的发送端Alice、作为目的节点的接收端Bob和作为窃听节点的接收端Eve，三个节点都为多天线结构。

Alice和Bob之间传输两个信号，一个是正常的待传输信号，另一个是干扰信号，基于Alice-to-Bob的零空间矩阵，可以确定该干扰信号，具体的该干扰信号为一个向量信号，总的传输功率为传输该两个信号的功率之和。在本发明实施例中Alice和Bob已知Alice-to-Bob的信道状态信息(CSI)，因此Bob将不会受到这个干扰信号的影响，而Eve和Bob不共享相同的CSI，因此Eve的接收机将会受到该干扰信号的影响，从而防御了Eve对信号的窃听，提高了接收端的安全速率。

图2为本发明实施例提供的一种基于SM-MIMO的数据传输过程，该过程包括以下步骤：

S201：对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵。

S202：根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号。

S203：采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号。

在本发明实施例的MIMO系统中，采用SM技术来传输信号，将发送的信息比特L分为两部分，分别为L₁和L₂，L₁用来从

根发送天线中选择一根传输天线，剩下的L₂用来从

进制的相移键控(PSK)/正交振幅调制(QAM)调制符号中选择一个调制符号，从而实现对发送信息的调制。

Bob的MIMO信道矩阵为H_b，大小为N_r×N_t，N_r为接收端接收天线的数量，N_t为发送端发送天线的数量，H_e表示大小为N_e×N_t的Eve的MIMO信道矩阵，N_e为窃听者接收天线的数量，对应的加性高斯白噪声向量分别为w_b和w_e，x是Alice最终确定的待传输信息，Bob和Eve接收到的信息y_b和y_e，可以分别根据下式确定：

y_b＝H_bx+w_b和y_e＝H_ex+w_e

在每个时隙，Alice最终的待传输信息x只有一个非零的PSK/QAM入口，如：

其中，e_n＝[0…0 1 0…0]^T表示为在第n个入口位置非零的单位向量，s为待传输信号向量，s_m为待传输信号。

接收端的接收机的目的是检测出使用了哪根天线n传输信息，以及传输哪个待传输信号s_m。因为Alice发射机到Bob接收机的信道矩阵H_b是已知的，当窃听者Eve试图窃听Alice传输到Bob的待传输信号向量s时，Eve接收机也需要解调出s中传输天线的位置和待传输信号。

为了应对窃听者Eve的窃听，本发明实施例中根据一个随机产生的随机信号，以及确定的零空间矩阵生成干扰信号，并将该干扰信号添加到Alice的发射机最终的待传输信息x中。干扰传输是单射频传输链路在实现更好安全性方面的折中办法。在本发明实施例中，Alice到Bob之间的CSI已知，该干扰信号q对Bob的干扰影响最小。

特别的，假设Alice到Bob的信道矩阵Η_b的秩rank(Η_b)＝r<N_t，将Η_b进行奇异值分解：

H_b＝U∑V^H

其中，奇异值对角矩阵∑：

∑＝Diag{σ₁,σ₂,…σ_r,0…0}.

由于信道矩阵H_b的秩rank(H_b)＝r<N_t，酉矩阵

包括零空间矩阵

所以，当 该最终的待传输信息x中添加干扰信号后，最终的待传输信息x可以表示为：

其中

在本发明实施例中该干扰信号可以根据随机信号等任意信号生成。为了进一步增 加数据传输的安全性，可以由服从独立同分布的随机高斯源来产生随机 信号，零空间矩阵中的每一项v_i对应权值向量

中的α_i。

本发明实施例中通过产生均匀分布在N_t-r维球形且满足

的权值向量α＝[α_r+1,…,α_Nt]来进一步增强安全性。所以，干扰信号q的功率为：

假设传输待传输信号的功率为

则传输最终的传输信息x的功率为：

因为H_b·V_⊥＝0，所以可以将Bob的接收信息y_b和Eve的接收信息y_e重新写成：

y_b＝H_bs+w_b

Bob的接收信道矩阵为：

Eve的接收信道矩阵为：

在每个时隙，接收者Bob接收到的信号可以重写为：

y_b＝H_be_ns_m＝h_ns_m+w_b

每根传输天线被选择的概率为1/N_t，在M-QAM调制中调制后的最终的待传输信息x中的每一项x_i被选中的概率是1/M，所以，接收端的复信号向量分布为：

对于窃听者的接收机，因为z_i和w_e是独立的，所以干扰加噪声可以等于：

其中，w'_e均值为0，协方差矩阵为：

所以，可以将窃听者的接收信号重写为：

y_e＝g_ns_m+w′_e

在不影响互信息I(y_e；[g_n,s_m])的情况下，在接收信号y_e上应用一个线性白变换矩阵：

来白化干扰信号加噪声，从而得到转换后的接收信号y'_e：

y'_e＝Qg_ns_m+Qw'_e＝g'_ns_m+w_ξ，其中Qg_n＝g'_n，Qw'_e＝w_ξ

w_ξ的协方差矩阵是σ²I。

Eve的接收机能够感知Bob的信道从而设计这样的白化滤波器，但这在实践中不可能的。如果α是确定的，并且w_ξ是独立同分布的高斯信号，窃听者的复信号向量分布为：

定义

和

I(y_b；[h_n,s_m])是Alice到Bob之间的互信息，所以有：

同理，I(y_e；[g_n,s_m])为Alice到Eve之间的互信息为：

所以SM-MIMO系统中Alice到Bob的安全速率R_s为：

R_s＝max{0,I(y_b；[h_n,s_m])-I(y_e；[g_n,s_m])}

由于在本发明实施例在待传输信号中添加了干扰信号，而该干扰信号是根据发送端到接收端的MIMO信道矩阵奇异值分解确定的，因此该干扰信号不会对接收端造成干扰，窃听者将受到该干扰信号的影响，从而提高了接收端的安全速率，保证了传输到接收端的数据的安全。

下述内容中，联合考虑不同调制方式、接收端存在单根接收天线和多根接收天线、不同功率的干扰信号的情况下，得到Bob的安全速率和BER的变化规律。同时给出了存在窃听者情况下SM-MIMO的性能分析，以安全速率和误比特率(BER)为目标，评估SM-MIMO干扰协作策略的有效性和可行性。

在本发明实施例中通过不同调制方式、发射天线和接收天线数量、SNR、干扰信号强度来进行仿真，评估对Bob安全速率的影响。另外，也给出了在存在干扰信号的情况下，Bob和Eve的最大似然接收机的BER。

本发明实施例的仿真环境下，调制后待传输信号的功率为

，加性复高斯白噪声的功率为σ²，信噪比

，干扰信号的功率为

，所以总的传输信号功率

β是用来增加Bob安全性的功率。β功率用来在Bob信道零空间矩阵中产生干扰信号，Bob可以无视这部分多余的信号，另一方面，因为Eve的信道和Bob的信道不可能完全一致，所以Eve会遭受到这个干扰信号的影响。因此，更高的β意味着Bob有更大的安全速率和Eve有更高的BER。

首先，分析了统计评估的安全速率R_s，在100个权值向量α的基础上求得平均安全速率。图3为本发明实施例提供采用QPSK调制方式，Alice的发送天线Nt＝4，Bob的接收天线Nr＝1，考虑Eve的不同数目的接收天线，假设Eve的接收天线Ne＝1，2，4，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系，β为干扰信号的功率。图4为本发明实施例提供的采用16QAM调制方式，Alice的发送天线Nt＝4，Bob的接收天线Nr＝2，Eve的接收天线Ne＝2，4时，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系，β为干扰信号的功率。图5为本发明实施例提供的采用16QAM调制方式，Alice的发送天线Nt＝8，Bob的接收天线Nr＝4，Eve的接收天线Ne＝4，8时，不同天线组合下安全速率与干扰强度随着SNR的变化关系，β为干扰信号的功率。

从图3～图5中可以看出，随着SNR的增加，Bob的安全速率稳步增长并最终达到一个饱和点。干扰信号的功率β越大，所得到的安全速率越高。Eve的接收天线越多，Eve窃听能力变得更加强大，Bob的安全速率反而变得越小。然而，当干扰信号的功率β＝1时，即使Eve有4根接收天线而Bob只有1根天线，但是安全速率还是非常高的，所以说，这个干扰信号对提高安全速率是非常有效的。

为了证明干扰信号在能提高安全速率的同时没有降低接收机的BER性能。可以运用最大似然接收机来检测Bob和Eve的BER。权值向量α随机生成，图6为本发明实施例提供的采用16QAM调制方式，Nt＝4，Nr＝2，Ne＝2，4，Eve不知道Bob的CSI时，Eve接收机的BER与SNR的变化关系。根据图6所示可知，随着干扰强度的增大，Eve接收机的BER也逐渐增大。在相同干扰强度下，增加Eve接收天线的数量，Eve的BER则变小。图7为本发明实施例提供的采用16QAM调制方式，Nt＝8，Nr＝4，Ne＝4，8，Eve不知道Bob的CSI时，Eve与Bob接收机的BER与SNR的变化关系，根据图7所示可知随着接收端天线数量的增多，接收端的BER也随着变小。

此外，本发明实施例还测试了一个不太可能的情况，即Eve知道Bob的CSI的情况。图8为本发明实施例提供的采用16QAM调制方式，Nt＝8Nr＝4Ne＝4，8，Eve与Bob接收机的BER与SNR的变化关系。相比于图7，可以看到，相同干扰强度下，Eve的BER变小了，这是因为Eve得到了Bob的CSI的结果，从而这个干扰信号对Eve的影响就变小了。

在所有的BER测试结果中，可以看到这个干扰信号能大大影响并提高Eve的BER，而对Bob的BER不造成影响。这是因为这个多余的干扰信号的功率可以降低Eve窃听传输给Bob信号的概率。而在接收机配置相同的情况下，Bob的接收机的BER则维持不变。

图9为本发明实施例提供的一种基于SM-MIMO的数据传输装置的结构示意图，该装置包括：

第一确定模块91，用于在每个时隙，对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵；

第二确定模块92，用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号；

传输模块93，用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号。

所述第二确定模块92，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及服从独立同分布的随机高斯源，确定干扰信号。

所述第二确定模块92，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号，其中零空间矩阵对应的权值向量的平方和为1。

所述传输模块93，具体用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号，其中所述干扰信号的传输功率不大于所述待传输信号的传输功率。

所述传输模块93，具体用于对所述待传输信号进行调制，传输所述调制后的待传输信号及所述干扰信号。

本发明实施例提供了一种基于SM-MIMO的数据传输方法及装置，该方法中通过对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵，根据该零空间矩阵及其对应的权值向量、以及随机信号，确定干扰信号，采用SM技术传输该干扰信号及待传输信号。由于在本发明实施例在待传输信号中添加了干扰信号，而该干扰信号是根据发送端到接收端的MIMO信道矩阵奇异值分解确定的，因此该干扰信号不会对接收端造成干扰，窃听者将受到该干扰信号的影响，从而提高了接收端的安全速率，保证了传输到接收端的数据的安全。

对于系统/装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于空间调制SM-多输入多输出MIMO的数据传输方法，其特征在于，应用于发送端，所述方法包括：

在每个时隙，对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵；

根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号；

采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号；

所述随机信号为服从独立同分布的随机高斯源；

所述零空间矩阵对应的权值向量的平方和为1；

其中，接收端Bob的MIMO信道矩阵为H_b，大小为N_r×N_t，N_r为接收端接收天线的数量，N_t为发送端发送天线的数量；

所述信道矩阵Η_b的秩rank(Η_b)＝r＜N_t，设酉矩阵

包括零空间矩阵其中，零空间矩阵中的每一项v_i对应权值向量中的α_i；

所述随机信号由服从独立同分布的随机高斯源

来产生；

所述待传输信号x表示为：

其中，s为待传输信号向量，e_n＝[0…0 1 0…0]^T表示为在第n个入口位置非零的单位向量，s_m为待传输信号，

所述权值向量

均匀分布在N_t-r维球形且满足

所述干扰信号q功率为：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干扰信号的传输功率不大于所述待传输信号的传输功率。

3.如权利要求1～2任一项所述的方法，其特征在于，所述采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号包括：

对所述待传输信号进行调制；

传输所述调制后的待传输信号及所述干扰信号。

4.一种基于空间调制SM-多输入多输出MIMO的数据传输装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于在每个时隙，对接收端的MIMO信道矩阵进行奇异值分解，确定零空间矩阵；

第二确定模块，用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号；

传输模块，用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号；

所述第二确定模块，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及服从独立同分布的随机高斯源，确定干扰信号；

所述第二确定模块，具体用于根据确定的零空间矩阵及其对应的权值向量，以及随机信号，确定干扰信号，其中零空间矩阵对应的权值向量的平方和为1；

其中，接收端Bob的MIMO信道矩阵为H_b，大小为N_r×N_t，N_r为接收端接收天线的数量，N_t为发送端发送天线的数量；

所述信道矩阵Η_b的秩rank(Η_b)＝r＜N_t，设酉矩阵包括零空间矩阵

其中，零空间矩阵中的每一项v_i对应权值向量

中的α_i；

所述随机信号由服从独立同分布的随机高斯源

来产生；

所述待传输信号x表示为：

其中，s为待传输信号向量，e_n＝[0…0 1 0…0]^T表示为在第n个入口位置非零的单位向量，s_m为待传输信号，

所述权值向量均匀分布在N_t-r维球形且满足

所述干扰信号q功率为：

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传输模块，具体用于采用SM技术传输所述干扰信号及待传输信号，其中所述干扰信号的传输功率不大于所述待传输信号的传输功率。

6.如权利要求4～5任一项所述的装置，其特征在于，所述传输模块，具体用于对所述待传输信号进行调制，传输所述调制后的待传输信号及所述干扰信号。

Images