CN108337029A - 安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法 - Google Patents

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万思明
王正旺
秦耀璐
徐玲
陆造宇
周小波
王进
陆锦辉
桂林卿
张晋
张一晋
李骏
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    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
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    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Abstract

本发明提供了安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，该方法由三部分组成：到达角和信噪比估计、角度误差范围预测和稳健安全波束成形。在第一时隙，首先，期望方向和窃听方向的方向角通过根值多重信号分类算法估计。然后，通过对接收信号的协方差矩阵进行奇异值分解。最后，在克拉美罗下界公式的辅助下，角度误差范围可以根据估计的到达角和信噪比来预测。在第二时隙，所有估计的参数用来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。与传统的非自适应稳健方法和非稳健的方法相比，本发明能够降低误码率和提升安全速率，使系统实现安全的无线传输。

Description

安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法。
背景技术
近些年来，私密信息的传输、储存、处理和保护成为了无线网络领域极其重要的研究热点。由于无线传输所具有的广播特性，私密信息极易被非法用户所窃听，这会对无线网络造成严重的安全风险。因此，急需设计安全传输方法以保护合法用户避免被窃听。Wyner首先研究了在存在窃听者时安全通信的离散无记忆窃听信道，并提出了安全速率的概念。在传统的基于计算复杂度的加密技术之上，物理层安全可以用来提供另一层保护，从而达到双层保护的效果。另外，随着5G时代的到来，越来越多的非法用户更倾向于利用大规模天线来扩张其窃听区域和窃听能力，而不是购买额外的计算资源。因此，利用物理层安全的优势来防御非法用户窃听有用信息是至关重要的。
方向调制作为一种极其重要的安全无线传输技术吸引力来自学术界和产业界的极大研究兴趣，并且在无线通信和网络的物理层安全领域变得越来越重要。人工噪声、协作中继和符号预编码等均被用来提升物理层安全和防止窃听者的攻击。迫零、块对角化和泄露等方法均在方向调制系统中有所应用。
然而，之前的研究工作仅考虑两种场景下波束成形的设计，即完美方向角信息和非完美的方向角信息，但给定误差分布。所有这些方法都很难适应信道条件的改变，它们都忽略了在一个实际方向调制网络中方向角估计、信噪比估计和角度估计误差范围预测这些步骤。因此，为了解决这一问题，本发明提出了安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，通过对相关参数的估计和稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量，从而降低误码率和提升安全速率，使系统实现安全无线传输。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，在第一阶段，先利用Root-MUSIC算法测量期望方向和窃听方向的角度，接着通过对接收信号进行协方差矩阵分解估计相应的信噪比，然后利用克拉美罗下界公式预测方向角误差范围。在第二阶段，在接收机噪声统计信息未知的条件下利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：利用Root-MUSIC算法测量期望方向和窃听方向的角度；通过对接收信号协方差矩阵进行奇异值分解估计相应的信噪比；利用克拉美罗下界公式预测方向角误差范围；利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
进一步地，具体过程包括：S1.在第一时隙，把基站看作接收机，期望用户和窃听用户看作发射机，利用Root-MUSIC算法估计期望方向和窃听方向的角度；S2.通过对接收信号协方差矩阵进行奇异值分解计算相应的信噪比；S3.利用克拉美罗下界公式、角度估计值和信噪比估计值预测方向角误差范围；S4.在第二时隙，把基站作为发射机，期望用户和窃听用户作为接收机，基于第一时隙估计的方向角和误差范围，假定误差范围服从均匀分布，利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
进一步地，所述的在第一时隙，把基站看作接收机，期望用户和窃听用户看作发射机，利用Root-MUSIC算法估计期望方向和窃听方向的角度，通过对接收信号进行协方差矩阵进行奇异值分解计算相应的信噪比，利用克拉美罗下界公式、角度估计值和信噪比估计值预测方向角误差范围，可以与实际的方向调制系统相匹配。
进一步地，所述的在第二时隙，把基站作为发射机，期望用户和窃听用户作为接收机，基于第一时隙估计的方向角和误差范围，假定误差范围服从均匀分布，利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
与现有技术相比，通过本发明提出的方法能够降低误码率和提升安全速率，同时保证期望接收机位置能够准确恢复出有用信号，而窃听接收机位置接收的信号星座图发生扭曲。在第一时隙，把基站看作接收机，期望用户和窃听用户看作发射机，利用Root-MUSIC算法估计期望方向和窃听方向的角度，通过对接收信号协方差矩阵进行奇异值分解计算相应的信噪比，利用克拉美罗下界公式、角度估计值和信噪比估计值预测方向角误差范围，可以与实际的方向调制系统相匹配。在第二时隙，把基站作为发射机，期望用户和窃听用户作为接收机，基于第一时隙估计的方向角和误差范围，假定误差范围服从均匀分布，利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量，可以通过信道质量的改变自适应调整有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
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为安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实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。
给定一个三节点方向调制系统模型，即源节点、目的节点、窃听节点，其中基站采用N 阵元均匀线性阵列天线，期望用户和窃听用户均为单天线接收机，系统工作在直达路径中。
在第一时隙，Alice作为接收机，Bob和Eve作为发射机，通过接收Bob和Eve的发射信号，Alice可以估计他们的方向角，Alice接收到的信号可表示为
r(t)＝sb(t)a(θb)+se(t)a(θe)+n(t) (1)
其中a(θb)和a(θe)分别表示Bob和Eve的阵列流形，定义为
d表示相邻两天线间隔，λb＝c/fb和λe＝c/fe分别为Bob和Eve的发射信号载波波长。经过下变频和数模转换，得到的接收基带采样信号可表示为
r[k]＝sb[k]a(θb)+se[k]a(θe)+n[k],k＝1,2,…,Ns (4)
其中Ns是采样数，和表示Bob和Eve的发射能量，n[k]是接收噪声向量，服从分布。
在第二时隙，Alice作为发射机，Bob和Eve作为接收机，Alice通过波束成形向量vb发射私密信息给Bob，同时利用噪声投影向量we阻止Eve窃听私密信息。发射机端传输的基带信号向量表示为
式中，Ps表示总的发射功率；β1和β2分别表示有用信号和人工噪声的功率分配因子，并且满足xm表示有用信号并满足zm表示随机变化的人工噪声满足 表示期望用户的归一化波束成形向量，即可将有用信号汇聚到期望方向；表示归一化人工噪声投影向量，即可将发射的人工噪声功率集中到窃听方向从而干扰非法用户的窃听。
经过line of sight(LoS)信道后，在方向角θ处接收到的信号为
其中，θ便是发射机和接收机之间的方向角并且θ∈[-π/2,π/2]，nr表示接收机加性高斯白噪声，服从分布；表示归一化导向向量，可表示为
上式中
同理，期望接收机和窃听接收机的接收信号可分别表示为
和
其中nd表示期望接收机噪声，服从分布；ne表示窃听接收机噪声，服从分布。通常，我们假定
由式(9)和(10)分别获得期望方向和非期望方向的可实现速率，即
和
因此，安全速率可以定义为期望方向和非期望方向的可实现速率之差即
Rs＝max{0，R(θb)-R(θe)} (13)
1)到达角和信噪比估计和角度误差预测
在第一时隙，把基站看作接收机，期望用户和窃听用户看作发射机，利用Root-MUSIC 算法估计期望方向和窃听方向的角度，通过对接收信号进行协方差矩阵进行奇异值分解计算相应的信噪比，利用克拉美罗下界公式、角度估计值和信噪比估计值预测方向角误差范围，可以与实际的方向调制系统相匹配。
通过接收Ns个采样点的信号向量，r[k]的协方差矩阵可以写成
对式(14)进行奇异值分解，Ryy可以写为
其中，U是一个单位矩阵，Π是一个对角矩阵，可以写为
参考Root-MUSIC算法，方向角的估计值可以根据以下公式计算
上式中，m＝1代表期望方向，m＝2代表窃听方向，zm表示Root-MUSIC算法中多项式的两个根值，且这两个根值是单位圆内最接近单位圆的值。通过对协方差矩阵进行奇异值分解，我们可以得到信号子空间、噪声子空间和相应的奇异值μ1＞μ2＞…＞μM+1＞…μN，其中M＝2 表示两个入射信号。因此，噪声方差可以写为
由式(18)我们可以得到第m个发射源的信噪比估计值
它可以用来预测方向角的误差范围。根据克拉美罗下界的定义，我们可以得到方向角误差的方差下界
其中由于我们可以得到标准差的下界，因此方向角的估计范围为
其中通过增加ρ值，式(21)的概率趋于1，如何选择ρ值是一个 NP-hard问题，因此，为方便分析，我们将其设为1。
2)提出的自适应稳健安全零空间投影方法
在第二时隙，把基站作为发射机，期望用户和窃听用户作为接收机，基于第一时隙估计的方向角和误差范围，假定误差范围服从均匀分布，利用稳健零空间投影方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
我们假定角度误差范围服从均匀分布，即
其中，表示角度误差范围。给出估计方向角和我们可以得到如下有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量的条件期望
和
其中 由此，相应的归一化有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量可以写为
和
。

Claims (5)

1.安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，其特征在于：在第一时隙，基站(Alice)被看作接收机，期望用户(Bob)和窃听用户(Eve)被当作发射机，Alice通过Root-MUSIC算法测量Bob和Eve的方向角。接着通过对接收信号进行奇异值分解，利用相应的奇异值可以估计Bob和Eve的信噪比，然后利用估计的方向角和信噪比可以预测方向角测量误差的范围。在第二时隙，Alice作为发射机，Bob和Eve作为接收机，结合所得到的估计参数，所提出的自适应稳健零空间投影波束赋形方法用来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量，使有用信号传输给期望用户，人工噪声传输给窃听用户。具体过程包括：
S1.在第一时隙，Alice被看作接收机，Bob和Eve被当作发射机，Alice通过Root-MUSIC算法得到Bob和Eve的方向角估计值；
S2.对接收信号进行奇异值分解，用相应的奇异值计算Bob和Eve的信噪比估计值；
S3.在克拉美罗下界公式基础上，利用Bob和Eve的方向角估计值和信噪比估计值预测方向角测量误差范围；
S4.在第二时隙，Alice作为发射机，Bob和Eve作为接收机，结合所得到的估计参数，利用所提出的自适应稳健零空间投影波束赋形方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
2.根据权利要求1所述的安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，其特征在于：在第一时隙，Alice被看作接收机，Bob和Eve被当作发射机，Alice通过Root-MUSIC算法得到Bob和Eve的方向角估计值。
3.根据权利要求1所述的安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，其特征在于：对接收信号进行奇异值分解，用相应的奇异值计算Bob和Eve的信噪比估计值。
4.根据权利要求1所述的安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，其特征在于：在克拉美罗下界公式基础上，利用Bob和Eve的方向角估计值和信噪比估计值预测方向角测量误差范围。
5.根据权利要求1所述的安全无线传输中自适应稳健零空间投影波束赋形方法，其特征在于：在第二时隙，Alice作为发射机，Bob和Eve作为接收机，结合所得到的估计参数，利用所提出的自适应稳健零空间投影波束赋形方法来设计有用信号波束成形向量和人工噪声投影向量。
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