CN106817158A - 一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法 - Google Patents

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束锋
胡锦松
杨淑萍
王进
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Abstract

本发明提供了一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，发射机首先运用MUSIC算法对接收机方向角进行估计，采用最大似然估计的最大化信噪比优化算法，粗估方向角的误差区间(Error set,ER)，进而提出基于角度误差积分区间和泄露的稳健的方向调制合成方法。通过最大化各期望用户方向积分区间内有用信号功率同时最大化窃听方向接收到的人工噪声功率，抑制窃听者对有用信号的窃取，减小人工噪声对期望用户有用信号的污染，保障信息传输的安全性。本发明与传统的方向调制技术相比能自适应估计方向角误差区间，充分考虑角度估计误差带来的影响，提高多期望用户环境下的通信性能。

Description

一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法。
背景技术
近年来，无线通信物理层安全问题引起了学术界和工业界的广泛关注，物理层安全的研究源于Wyner提出的Wire-tap模型，后来学者提出利用人为噪声的方法来有效的控制主信道与窃听信道的优劣，提高主信道信息传输的安全速率，将上层的加密技术与物理层安全技术相结合，实现无线通信安全的双重保障，成为无线通信领域研究的热点方向。
方向调制作为一种有效的物理层传输技术，与传统波束成形相比，其基本思想是通过波束成形和人工噪声等处理手段，在期望方向，接收到的信号的星座图与基带信号保持一致，而在其他窃听方向接收的有用信号被噪声严重污染以致误码性能恶化。
目前方向调制的方法主要分为两类，一种是利用射频端元器件组合来实现，另一种侧重于基带信号的算法设计来实现。但第一种方案受限于有限的天线阵列排布、高速RF开关等，成本高昂；第二种方案优势更加明显。许多已有的方向调制系统中都假设基站已知理想的方向角信息。在实际通信中，方向角的估计不可避免存在误差，导致波束成形向量、人工噪声等的设计与导向向量不匹配，恶化期望接收机的接收性能；而对于已有的稳健的方向调制系统都是假设角度误差服从一定的概率分布，其分析存在一定的特殊性。同时，对多用户MIMO方向调制系统的稳健性分析还未涉及。因此，利用误差区间积分和泄露的概念，设计多期望用户环境下的波束成形向量以及人工噪声是合适的选择。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，通过MUSIC算法估计方向角误差，对方向角的误差积分区间进行粗估，提出基于角度误差区间积分和泄露理论的稳健的方向调制波束成形算法，最大化期望用户有用信号的接收，使泄露到窃听方向的有用信号功率最小，同时降低泄露的人工噪声对期望用户有用信号的污染影响，从而保障无线传输的安全性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：利用MUSIC算法粗估方向角误差积分区间，引入区间积分与泄露的概念，通过最大化各期望方向误差区间的信泄噪比，设计每个期望用户的有用信号波束成形向量；最大化窃听方向的信泄噪比(这里将人工噪声视作有用信号)，从而设计人工噪声投影矩阵，最大化期望方向误差区间内有用信号功率同时最大化窃听方向误差区间内接收到的人工噪声功率，实现合法用户安全的无线连接。
进一步地，具体过程包括：S1.利用智能天线阵列，运用MUSIC算法估计信号到达角，最大化有用信号的信噪比，得到估计的方向角，由于此方向角存在角度估计误差，从而得到自适应方向角误差区间；S2.通过测量得到的方向角误差区间，加上波束成形与人工噪声的处理手段，引入误差区间内积分和信泄噪比的理论设计稳健的方向调制系统；S3.考虑两种应用场景：1)期望方向角与窃听方向角信息非完美；2)窃听角信息未知，根据S2的理论准则，分别设计有用信号波束成形向量与人工噪声投影矩阵。
进一步地，所述的MUSIC算法可以获得自适应的方向角误差区间。
进一步地，所述稳健波束成形算法在角度误差条件下，最大化各期望用户有用信号功率与人工噪声功率和接收噪声功率的比值，设计每个期望用户有用信号波束成形向量；最大化窃听区域内人工噪声的功率，设计人工噪声投影矩阵。
与现有技术相比，通过本发明提出的方法，角度误差区间通过算法自适应估计，具有实际意义；采用方向角误差区间积分的方法，考虑到方向角估计误差可能带来的影响，增强系统的稳健性；引入泄露的概念，充分考虑了人工噪声泄露到各期望方向的可能性，尽可能的减少人工噪声对期望方向接收有用信号的污染威胁，保证系统的安全性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
假设基站向K个期望用户方向发送有用信号，同时存在M个与期望方向不同的窃听方向基站采用N阵元均匀线性阵列天线，各期望用户的接收天线数为1，窃听机接收天线数为1，基站向每个期望用户发送相互独立的信号。在这种情况下，发射机端传输基带信号向量表示为
式中，K路独立有用信号分别传输到K个期望用户，满足 表示第k个期望用户的归一化波束成形向量，即TAN表示人工噪声投影矩阵，可以将发射的人工噪声功率集中到窃听方向；z表示随机向量，满足Ps表示总的发射功率；α1和α2分别为有用信号和人工噪声的功率归一化因子，满足以及β1和β2分别表示有用信号和人工噪声的功率分配系数，并满足
第k个期望用户接收到的信号为
第m个窃听机接收到的信号为
在设计各期望用户波束成形向量和人工噪声投影矩阵之前，首先要进行方向角误差区间的估计：
S1.利用智能天线阵列，运用MUSIC算法估计信号到达角，最大化有用信号的信噪比，得到估计的方向角，由于此方向角存在角度估计误差，从而得到自适应方向角误差区间；
1)首先K个期望用户向基站发送K(K＜N)个互不相关的信号，得到的数据向量为：S＝HX+N，S＝[s1,s2,…,sN]T为N个阵元的输出，X＝[x1,x2,…,xK]T为辐射的信号，H＝[h(θ1),h(θ2),…,h(θK)]，其中
上式中N＝[n1,n2,…,nK]T，nk表示均值为0，方差为的高斯白噪声。
2)接下来计算天线阵接收数据的协方差矩阵：
信号与噪声相互独立，协方差矩阵可分解为信号、噪声两个部分，其中HQXHH为信号部分。
3)对协方差矩阵进行特征分解：
进而求得与信号相关的K个特征向量和与噪声相关的N-K个特征向量。在实际环境中，利用最大似然估计协方差矩阵通过最大化信噪比优化算法求得估计方向角，即
求得方向角误差或因此，第k个期望接收机方向角主瓣区间和第m个窃听接收机方向角误差积分区间分别为
S2.通过测量得到的方向角误差区间，加上波束成形与人工噪声的处理手段，引入误差区间内积分和信泄噪比的理论设计稳健的方向调制系统；
S3.考虑两种应用场景：1)期望方向角与窃听方向角信息非完美；2)窃听角信息未知，根据S2的理论准则，分别设计有用信号波束成形向量与人工噪声投影矩阵。
所述两种应用场景下设计波束成形向量和人工噪声的具体实施如下：
1)期望方向角与窃听方向角信息非完美
在这种情况下，发射机根据期望用户和窃听者所发射出的信号对其所在方向进行估计，且期望方向角与窃听方向角估计均存在误差，利用S1中估计结果，所有期望方向误差区间表示为所有窃听方向误差区间表示为
首先设计有用信号的波束成形向量，基本思想是发射机发送的有用信号的功率在对应的期望方向上达到最大，而泄露到其他期望用户方向以及窃听方向上的功率最小。根据式(2)可得第k个期望方向误差区间内接收到的有用信号xk的平均功率为
而泄露到其他期望方向误差区间和窃听方向误差区间内的有用信号平均功率为
根据式(9)和式(10)我们可以定义相应的基于误差区间积分的SLNR表达式
其中RS＝∫Sh(θ)hH(θ)dθ。为使式(11)中的达到最大，利用Rayleigh-Ritz定理可得最优的为矩阵最大特征值所对应的归一化特征向量。
其次设计人工噪声投影矩阵，基本思想是尽可能多的将人工噪声功率发送到窃听方向上，同时使得人工噪声对期望用户的影响最小。我们将人工噪声视作有用信号，根据式(3)可得，到达所有窃听方向误差区间内的人工噪声平均功率为
而泄露到所有期望用户区间内的人工噪声平均功率为
由式(12)和式(13)可得人工噪声的基于误差区间积分的SLNR表达式为
其中则优化的TAN对应于矩阵的N-K个最大特征值对应的特征向量。
2)窃听角信息未知
这是一种更为实际的应用场景，在这种情况下，窃听者不向外发送任何信号，而只是被动地窃取发射机所发送的有用信号，因此发射机无法对窃听者所在的方向进行估计，同时期望方向角的估计存在误差。
首先设计有用信号的波束成形向量，其基本思想与场景1类似，易知第k个期望方向区间内接收有用信号xk的平均功率的表达式与式(9)中的相同。为了减少各路有用信号之间的相互干扰，将第k个期望方向误差区间之外的角度范围均视为潜在的窃听区域，即则泄露到潜在窃听区域内的有用信号xk的平均功率为
与式(11)类似，可得第k个期望用户的ER-SLNR表达式
最优的为矩阵最大特征值所对应的归一化特征向量。
其次设计人工噪声投影矩阵TAN，由于窃听方向角未知，因此潜在窃听区域为所有期望用户误差区间之外的角度范围，即则发送到内的平均人工噪声功率为
且泄露到所有期望用户误差区间内的平均人工噪声功率P′AN,L与式(13)相同。根据信泄噪比的定义，可得人工噪声相应的ER-SLNR表达式
最优的TAN为矩阵的N-K个最大特征值所对应的N-K个归一化特征向量。

Claims (6)

1.一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：在方向角测量存在误差情况下，将误差区间积分与泄露的思想引入方向调制波束成形算法中，通过最大化期望方向的信泄噪比(Signal-to-leakage-plus-noise ratio,SLNR)，设计各期望用户的波束成形向量；最大化窃听方向的信泄噪比(这里将人工噪声视作有用信号)，从而设计人工噪声。具体过程包括：
S1.利用智能天线阵列，运用MUSIC算法估计信号到达角，最大化有用信号的信噪比，得到估计的方向角，由于此方向角存在角度估计误差，从而得到自适应方向角误差区间；
S2.通过测量得到的方向角误差区间，加上波束成形与人工噪声的处理手段，引入误差区间内积分和信泄噪比的理论设计稳健的方向调制系统；
S3.考虑两种应用场景：1)期望方向角与窃听方向角信息非完美；2)窃听角信息未知，根据S2的理论准则，分别设计有用信号波束成形向量与人工噪声投影矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：利用MUSIC算法对方向角误差积分区间进行自适应估计。
3.根据权利要求1所述的一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：在设计波束成形向量与人工噪声投影矩阵过程中，引入误差区间积分的概念，充分考虑到方向角估计误差对系统可能带来的影响。
4.根据权利要求1所述的一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：引入泄露的概念设计波束成形向量与人工噪声投影矩阵，减小期望用户有用信号的泄露，同时最小化人工噪声对期望用户有用信号的污染。
5.根据权利要求1所述的一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：相较于传统方向调制合成方法，提高多期望用户环境下的安全通信性能。
6.根据权利要求1所述的一种自适应稳健的误差区间积分方向调制合成方法，其特征在于：所提出的算法能应用于未来无线通信、移动通信、无人机组网通信等。
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