CN108551357B - 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置 - Google Patents

一种电力线通信系统的编码解码方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108551357B
CN108551357B CN201810354168.0A CN201810354168A CN108551357B CN 108551357 B CN108551357 B CN 108551357B CN 201810354168 A CN201810354168 A CN 201810354168A CN 108551357 B CN108551357 B CN 108551357B
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix
transmitting
kth
square error
terminal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810354168.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108551357A (zh
Inventor
金鑫
张乐平
肖勇
罗鸿轩
胡珊珊
王吉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Original Assignee
CSG Electric Power Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CSG Electric Power Research Institute filed Critical CSG Electric Power Research Institute
Priority to CN201810354168.0A priority Critical patent/CN108551357B/zh
Publication of CN108551357A publication Critical patent/CN108551357A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108551357B publication Critical patent/CN108551357B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
    • H04B3/542—Systems for transmission via power distribution lines the information being in digital form
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/04—Control of transmission; Equalising
    • H04B3/14—Control of transmission; Equalising characterised by the equalising network used
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/32—Reducing cross-talk, e.g. by compensating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Detection And Prevention Of Errors In Transmission (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Abstract

本发明公开了一种电力线通信系统的编码解码方法及装置，以最大化各合法用户与窃听者对目标信号的均方误差之差为目标设计并实现了预编码机和接收机，有效提高通信系统中合法接收端的均方误差性能，而且最大程度干扰窃听者的MSE，使得系统更加安全可靠，解决了发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障的技术问题。

Description

一种电力线通信系统的编码解码方法及装置
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术领域，尤其涉及一种电力线通信系统的编码解码方法及装置。
背景技术
在电力输送基础设施上进行通信被称为电力线通信，电力线通信利用现有电力线进行高速数据传输，可极大节省成本和时间，由于电力线通信系统本质上是一个广播通信系统，其中的信息流被共享于用户间的通信网中，这意味着发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障。
发明内容
本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码方法及装置，解决了发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障的技术问题。
本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码方法，包括：
将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，所述发射信号模型具体为：xk＝Tksk，所述有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000011
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
所述接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，所述均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000021
其中，第k个合法的发射端-接收端对中所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000022
为：
Figure GDA0003432080490000023
其中，
Figure GDA0003432080490000024
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000025
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000026
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000027
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA0003432080490000028
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000029
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵。
可选地，所述最优化问题模型具体为：
Figure GDA0003432080490000031
其中，tr为求迹运算符，
Figure GDA0003432080490000032
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件。
可选地，所述根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵具体包括：
将均方误差对
Figure GDA0003432080490000033
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解：
Figure GDA0003432080490000034
可选地，所述利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵具体包括：
设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
利用所述解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000035
利用非奇异矩阵C对所述最优化问题模型进行简化；
确定所述发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure GDA0003432080490000036
其中，
Figure GDA0003432080490000037
表示以
Figure GDA0003432080490000038
为元素的对角矩阵；
将所述第一形式的发射预编码矩阵和所述非奇异矩阵C代入所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000039
和所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900000310
得到更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900000311
和更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900000312
Figure GDA00034320804900000313
Figure GDA0003432080490000041
其中，λbi为矩阵
Figure GDA0003432080490000042
的第i个最大特征值，λei为矩阵
Figure GDA0003432080490000043
的第i个最大特征值；
将所述更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000044
和所述更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000045
代入所述最优化问题模型，得到：
Figure GDA0003432080490000046
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将所述最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure GDA0003432080490000047
其中，所述凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure GDA0003432080490000048
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子，εk为窃听者端的最小均方误差，tr为求迹运算符，s.t.表示约束条件；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛。
本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码装置，包括：
第一叠加模块，用于将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，所述发射信号模型具体为：xk＝Tksk，所述有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000051
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
第一估算模块，所述接收端包括合法用户端和窃听者端，所述第一估算模块用于：利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，所述均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000052
其中，第k个合法的发射端-接收端对中所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000053
为：
Figure GDA0003432080490000054
其中，
Figure GDA0003432080490000055
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000056
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000057
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端与第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端与第k个接收端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000058
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000061
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA0003432080490000062
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
第一建立模块，用于确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
第一求解模块，用于根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型；
第二求解模块，用于利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵。
可选地，所述最优化问题模型具体为：
Figure GDA0003432080490000063
其中，tr为求迹运算符，
Figure GDA0003432080490000064
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件。
可选地，所述第一求解模块具体用于：
将均方误差对
Figure GDA0003432080490000065
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解：
Figure GDA0003432080490000066
可选地，所述第二求解模块具体用于：
设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
利用所述解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000067
利用非奇异矩阵C对所述最优化问题模型进行简化；
确定所述发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure GDA0003432080490000068
其中，
Figure GDA00034320804900000610
表示以
Figure GDA0003432080490000069
为元素的对角矩阵；
将所述第一形式的发射预编码矩阵和所述非奇异矩阵C代入所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000071
和所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000072
得到更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000073
和更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000074
Figure GDA0003432080490000075
Figure GDA0003432080490000076
其中，λbi为矩阵
Figure GDA0003432080490000077
的第i个最大特征值，λei为矩阵
Figure GDA0003432080490000078
的第i个最大特征值；
将所述更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000079
和所述更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900000710
代入所述最优化问题模型，得到：
Figure GDA00034320804900000711
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将所述最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure GDA00034320804900000712
其中，所述凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure GDA00034320804900000713
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码方法及装置，其中，电力线通信系统的编码解码方法包括：将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，所述发射信号模型具体为：xk＝Tksk，所述有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000081
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端的所述解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；所述接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵，以最大化各合法用户与窃听者对目标信号的均方误差之差为目标设计并实现了预编码机和接收机，有效提高通信系统中合法接收端的均方误差性能，而且最大程度干扰窃听者的MSE，使得系统更加安全可靠，解决了发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障的技术问题。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码方法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码方法的一个实施例的流程图，本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码方法可以包括：
步骤S100：将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000091
其中，sk为第k个发射端的有用信号，Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵，xk为第k个发射端的发射信号，Rk为第k个接收机的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个发射端的发射预编码矩阵，sl为第l个发射端的有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
本发明实施例中，当进行电力线通信系统的编码解码时，需要将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000101
其中，sk为第k个发射端的有用信号，Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵，xk为第k个发射端的发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个发射端的发射预编码矩阵，sl为第l个发射端的有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
具有窃听者端的电力线通信系统模型可以包括合法用户端和窃听者端。P、N、PE分别代表电力线中的火线、零线和地线，任意二电力线的差分电压皆可用于信号的传输，然而，由基尔霍夫定律可知，三个差分电压之和为零，故在发射端，本发明实施例可选取其二作为有效传输信号，在接收端，本发明同时选取三个差分电压作为接收信号，以提高传输速率。
为提高保密容量，可以在发送端加入发射预编码矩阵，以第k个合法的发射端-接收端对为例，合法的发射端-接收端对中接收机即合法用户端，将第k个合法的发射端-接收端对中的发射端和接收端分别记为第k个发射端和第k个接收端。
发射信号可构造为如下有用信号模型：
xk＝Tksk (1)
式(1)中，sk为有用信号，Tk为发射预编码矩阵；
sk为第k个合法的发射端-接收端对间的有用信号，有用信号指实际有意义的信号，xk即对有用信号进行编码后的发射信号；
Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵；
同时，在接收端加入解码矩阵，以第k个合法的发射端-接收端对为例，其在接收端对有用信号sk的估计值
Figure GDA0003432080490000111
为：
Figure GDA0003432080490000112
式(2)即接收端的有用信号估计值模型，其中：
(*)H为共轭转置运算符；
Rk为第k个接收端的解码矩阵；
Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道；
Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道，l≠k；
Tk和Tl分别为第k个和第l个发射端的发射预编码矩阵；
sk和sl分别为第k个和第l个合法的发射端-接收端对的有用信号；
zk为第k个接收端接收信号的噪声；
K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量。
步骤S101：接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000113
其中，第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000114
为：
Figure GDA0003432080490000115
其中，
Figure GDA0003432080490000116
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000117
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000118
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000119
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA00034320804900001110
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000121
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
在将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型之后，需要接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000122
其中，第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000123
为：
Figure GDA0003432080490000124
其中，
Figure GDA0003432080490000125
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000126
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000127
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端与第k个接收端间的信道，Hkk为第k个发射端与第k个接收端间的信道，
Figure GDA0003432080490000128
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道，
Figure GDA0003432080490000129
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA00034320804900001210
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900001211
为：
Figure GDA00034320804900001212
第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900001213
为：
Figure GDA0003432080490000131
式(3)至(4)中：
Figure GDA0003432080490000132
为期望运算符；
Figure GDA0003432080490000133
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值；
Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵；
Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵；
Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵；
Figure GDA0003432080490000134
为第k个接收端接收信号的噪声方差；
Figure GDA0003432080490000135
为窃听者端的噪声方差；
I为单位矩阵。
Figure GDA0003432080490000136
和
Figure GDA0003432080490000137
均表示接收信号和有用信号间的误差；
本具体实施方式中，
Figure GDA0003432080490000138
和
Figure GDA0003432080490000139
表示零均值复高斯噪声矢量的方差；
步骤S102：确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
在利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵之后，需要确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
在保证发射端和窃听者端间传输信号的均方误差大于设定的窃听者端最小均方误差的前提下，每个合法用户以最小化自身均方误差为目标，解算发射预编码矩阵和解码矩阵；合法用户通信均方误差为发射端和合法用户端间传输信号的均方误差。
以第k个合法用户为例，在保证窃听者的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900001310
大于阈值εk的前提下，最小化其通信均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900001311
构造如下最优化问题模型：
Figure GDA0003432080490000141
式(5)中：
tr(*)为求迹运算符；
Figure GDA0003432080490000142
为发射预编码矩阵Tk的F范数；
εk为窃听者端的最小均方误差，其为经验值，根据多次试验获取；
pk为第k个发射端的最大功率；
Figure GDA0003432080490000143
表示使得
Figure GDA0003432080490000144
取最小值的所有发射预编码矩阵Tk和解码矩阵Rk的集合
Figure GDA0003432080490000145
s.t.表示受约束，即s.t.
Figure GDA0003432080490000146
表示以s.t.
Figure GDA0003432080490000147
为约束条件。
Figure GDA0003432080490000148
表示k取集合{1,2,...,K}中任意值。
使s.t.
Figure GDA0003432080490000149
是为了将窃听者端窃听的精确度限制在可接受范围内，以保护合法的发射端-接收端对间的通信不被窃听；
步骤S103：根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵；
在确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型之后，需要根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵；
本步骤中解算发射预编码矩阵和解码矩阵，具体为：
将合法用户通信均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900001410
对
Figure GDA00034320804900001411
求导并令导数为0，可得解码矩阵的最优解模型：
Figure GDA0003432080490000158
为求解发射预编码矩阵，利用非奇异矩阵C对式(5)进行简化，矩阵C具有以下性质：
Figure GDA0003432080490000151
式(7)中：
diag(λbi)、diag(λei)表示以λbi、λei为元素的对角矩阵。
可选地，设计发射预编码矩阵具有以下形式:
Figure GDA0003432080490000152
式(8)中：
Figure GDA0003432080490000153
表示以
Figure GDA0003432080490000154
为元素的对角矩阵。
将式(7)、(8)代入(3)、(4)得：
Figure GDA0003432080490000155
Figure GDA0003432080490000156
将式(9)、(10)代入式(5)，得：
Figure GDA0003432080490000157
由于式(11)非凸，令σ′i＝(1+λeiσi)-1，可将其转化为凸优化问题:
Figure GDA0003432080490000161
式(12)的拉格朗日函数为:
Figure GDA0003432080490000162
式(13)中，
λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子。
可选地，最优化问题的最优解需要满足以下Karush-Kuhn-Tucker条件：
(1)稳定性条件：
Figure GDA0003432080490000163
(2)原始可行性条件：
σ′i≥εk (15)
0≤σ′i≤1 (16)
(3)对偶可行性条件：
λk≥0 (17)
μk≥0 (18)
μk′≥0 (19)
(4)互补可行性条件：
λk[εk-σ′i]＝0 (20)
μk(0-σ′i)＝0 (21)
μ′k(σ′i-1)＝0 (22)
联合式(14)～(22)，可得优化问题的最优解如下
Figure GDA0003432080490000171
可选地，依据上述方法，利用异步迭代法计算每个合法用户的发射预编码矩阵，步骤如下：
(1)、初始化，设置迭代计数器n＝0，随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
(2)、迭代开始，利用公式(6)计算并更新解码矩阵，更新后的解码矩阵记为
Figure GDA0003432080490000172
(3)、求解式(12)中的凸优化问题，计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
(4)、重复步骤(2)、(3)直至每个合法用户的均方误差收敛。
本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码方法，包括：将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000173
其中，sk为第k个发射端的有用信号，Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵，xk为第k个发射端的发射信号，Rk为第k个接收端的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个发射端的发射预编码矩阵，sl为第l个发射端的有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵，以最大化各合法用户与窃听者对目标信号的均方误差之差为目标设计并实现了预编码机和接收机，有效提高通信系统中合法接收端的均方误差性能，而且最大程度干扰窃听者的MSE，使得系统更加安全可靠，解决了发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障的技术问题，并且该方法又可作为低压电力线通信系统上层所提供的编码安全的有效补充和加强。
上面是对一种电力线通信系统的编码解码方法的一个实施例进行的详细描述，下面将对一种电力线通信系统的编码解码方法的另一个实施例进行详细的描述。
请参阅图2，本发明提供的一种电力线通信系统的编码解码方法的另一个实施例，包括：
步骤S200：将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000181
其中，sk为第k个发射端的有用信号，Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵，xk为第k个发射端的发射信号，Rk为第k个接收端的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个发射端的发射预编码矩阵，sl为第l个发射端的有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
本发明实施例中，当进行电力线通信系统的编码解码时，需要将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000191
其中，sk为第k个发射端的有用信号，Tk为第k个发射端的发射预编码矩阵，xk为第k个发射端的发射信号，Rk为第k个接收端的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个发射端的发射预编码矩阵，sl为第l个发射端的有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
步骤S201：接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000192
其中，第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000193
为：
Figure GDA0003432080490000194
其中，
Figure GDA0003432080490000195
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000196
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000197
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000198
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA0003432080490000199
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000201
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
在将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型之后，需要接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000202
其中，第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000203
为：
Figure GDA0003432080490000204
其中，
Figure GDA0003432080490000205
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000206
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000207
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端与第k个接收端间的信道，Hkk为第k个发射端与第k个接收端间的信道，
Figure GDA0003432080490000208
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道，
Figure GDA0003432080490000209
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA00034320804900002010
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
步骤S202：确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型，最优化问题模型具体为：
Figure GDA00034320804900002011
其中，tr为求迹运算符，
Figure GDA0003432080490000211
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件；
在利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵之后，需要确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
步骤S203：将均方误差对
Figure GDA0003432080490000212
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解：
Figure GDA0003432080490000213
在确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型之后，需要将均方误差对
Figure GDA0003432080490000214
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解；
步骤S204：设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
利用解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000215
利用非奇异矩阵C对最优化问题模型进行简化；
可选地，非奇异矩阵C满足：
Figure GDA0003432080490000216
其中，diag(λbi)、diag(λei)表示以λbi、λei为元素的对角矩阵；
确定发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure GDA0003432080490000217
其中，
Figure GDA0003432080490000218
表示以
Figure GDA0003432080490000219
为元素的对角矩阵；
将第一形式的发射预编码矩阵和非奇异矩阵C代入发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000221
和发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900002211
得到更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000222
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000223
Figure GDA0003432080490000224
Figure GDA0003432080490000225
将更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000226
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000227
代入最优化问题模型，得到：
Figure GDA0003432080490000228
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure GDA0003432080490000229
其中，凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure GDA00034320804900002210
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛；
在将均方误差对
Figure GDA0003432080490000239
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解之后，需要设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；利用解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000231
利用非奇异矩阵C对最优化问题模型进行简化；确定发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵；将第一形式的发射预编码矩阵和非奇异矩阵C代入发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000232
和发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000233
得到更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000234
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000235
将更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000236
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000237
代入最优化问题模型；令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将最优化问题模型转化为凸优化问题；计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛；
本发明实施例中，将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000238
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；将均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000241
对
Figure GDA0003432080490000242
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解，设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)，利用解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000243
利用非奇异矩阵C对最优化问题模型进行简化，确定发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵，将第一形式的发射预编码矩阵和非奇异矩阵C代入发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵zSEEve,TXk和发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000244
得到更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000245
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000246
将更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000247
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000248
代入最优化问题模型，令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将最优化问题模型转化为凸优化问题，计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛，以最大化各合法用户与窃听者对目标信号的均方误差之差为目标设计并实现了预编码机和接收机，有效提高通信系统中合法接收端的均方误差性能，而且最大程度干扰窃听者的MSE，使得系统更加安全可靠，解决了发射机发射的信号能够被所有的接收机获得，对于多用户场景，所有用户之间互相造成干扰，且任意用户的信息都能被其他接入用户接收，如果不对通信过程采取有效的保护措施，信息流将很容易被窃听或者干扰，存在隐私泄露、信息阻塞的风险，甚至会导致大规模电力故障的技术问题。
请参阅图3，图3示出了本发明实施例提供的一种电力线通信系统的编码解码装置的结构示意图，包括：
第一叠加模块301，用于将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，发射信号模型具体为：xk＝Tksk，有用信号估计值模型具体为：
Figure GDA0003432080490000251
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
第一估算模块302，接收端包括合法用户端和窃听者端，第一估算模块用于：利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，均方误差矩阵具体为：
Figure GDA0003432080490000252
其中，第k个合法的发射端-接收端对中发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000253
为：
Figure GDA0003432080490000254
其中，
Figure GDA0003432080490000255
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure GDA0003432080490000256
为期望运算符，
Figure GDA0003432080490000257
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000261
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure GDA0003432080490000262
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure GDA0003432080490000263
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
第一建立模块303，用于确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
第一求解模块304，用于根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型；
第二求解模块305，用于利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵。
可选地，最优化问题模型具体为：
Figure GDA0003432080490000264
其中，tr为求迹运算符，
Figure GDA0003432080490000265
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件。
可选地，第一求解模块304具体用于：
将均方误差对
Figure GDA0003432080490000266
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解：
Figure GDA0003432080490000267
可选地，第二求解模块305具体用于：
设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
利用解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure GDA0003432080490000268
利用非奇异矩阵C对最优化问题模型进行简化，非奇异矩阵C满足：
Figure GDA0003432080490000271
其中，diag(λbi)、diag(λei)表示以λbi、λei为元素的对角矩阵；
确定发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure GDA0003432080490000272
其中，
Figure GDA0003432080490000273
表示以
Figure GDA0003432080490000274
为元素的对角矩阵；
将第一形式的发射预编码矩阵和非奇异矩阵C代入发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000275
和发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000276
得到更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000277
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA0003432080490000278
Figure GDA0003432080490000279
Figure GDA00034320804900002710
将更新后的发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900002711
和更新后的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure GDA00034320804900002712
代入最优化问题模型，得到：
Figure GDA00034320804900002713
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure GDA0003432080490000281
其中，凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure GDA0003432080490000282
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种电力线通信系统的编码解码方法，其特征在于，包括：
将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，所述发射信号模型具体为：xk＝Tksk，所述有用信号估计值模型具体为：
Figure FDA0003420585990000011
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
所述接收端包括合法用户端和窃听者端，利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，所述均方误差矩阵具体为：
Figure FDA0003420585990000012
其中，第k个合法的发射端-接收端对中所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000013
为：
Figure FDA0003420585990000014
其中，
Figure FDA0003420585990000015
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure FDA0003420585990000016
为期望运算符，
Figure FDA0003420585990000017
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，
Figure FDA0003420585990000018
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure FDA0003420585990000019
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure FDA0003420585990000021
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型，利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵：
所述利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵具体包括：
设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值
Figure FDA0003420585990000022
利用所述解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure FDA0003420585990000023
利用非奇异矩阵C对所述最优化问题模型进行简化；
确定所述发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure FDA0003420585990000024
其中，
Figure FDA0003420585990000025
表示以
Figure FDA0003420585990000026
为元素的对角矩阵；
将所述第一形式的发射预编码矩阵和所述非奇异矩阵C代入所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000027
和所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000028
得到更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000029
和更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA00034205859900000210
Figure FDA00034205859900000211
Figure FDA00034205859900000212
其中，λbi为矩阵
Figure FDA00034205859900000213
的第i个最大特征值，λei为矩阵
Figure FDA00034205859900000214
的第i个最大特征值；
将所述更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000031
和所述更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000032
代入所述最优化问题模型，得到：
Figure FDA0003420585990000033
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将所述最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure FDA0003420585990000034
其中，所述凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure FDA0003420585990000035
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子，εk为窃听者端的最小均方误差，tr为求迹运算符，s.t.表示约束条件；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛。
2.根据权利要求1所述的电力线通信系统的编码解码方法，其特征在于，
所述最优化问题模型具体为：
Figure FDA0003420585990000036
其中，tr为求迹运算符，
Figure FDA0003420585990000041
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件。
3.根据权利要求2所述的电力线通信系统的编码解码方法，其特征在于，
所述根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵具体包括：
将均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000042
对
Figure FDA0003420585990000043
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解为
Figure FDA0003420585990000044
4.一种电力线通信系统的编码解码装置，其特征在于，包括：
第一叠加模块，用于将发射端的有用信号中叠加发射预编码矩阵，得到发射信号模型，在接收端中叠加解码矩阵，得到有用信号估计值模型，所述发射信号模型具体为：xk＝Tksk，所述有用信号估计值模型具体为：
Figure FDA0003420585990000045
其中，sk为第k个所述发射端的所述有用信号，Tk为第k个所述发射端的所述发射预编码矩阵，xk为第k个所述发射端的所述发射信号，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hkk为第k个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，Hlk为第l个发射端和第k个接收端间的信道矩阵，l≠k，Tl为第l个所述发射端的所述发射预编码矩阵，sl为第l个所述发射端的所述有用信号，zk为第k个接收端接收信号的噪声，K为电力线通信系统中合法的发射端-接收端对的数量；
第一估算模块，所述接收端包括合法用户端和窃听者端，所述第一估算模块用于：利用发射端和接收端间的信道矩阵估算传输信号的均方误差矩阵，所述均方误差矩阵具体为：
Figure FDA0003420585990000046
其中，第k个合法的发射端-接收端对中所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000047
为：
Figure FDA0003420585990000051
其中，
Figure FDA0003420585990000052
为第k个合法的发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵，
Figure FDA0003420585990000053
为期望运算符，
Figure FDA0003420585990000054
为接收端对第k个发射端有用信号的估计值，Rk为第k个接收端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hlk为第l个发射端与第k个接收端间的信道矩阵，Hkk为第k个发射端与第k个接收端间的信道矩阵，
Figure FDA0003420585990000055
为窃听者端对第k个发射端有用信号的估计值，Re,k为窃听者端侦测第k个发射端发射信号时使用的解码矩阵，Hle为第l个发射端与窃听者端间的信道矩阵，Hke为第k个发射端与窃听者端间的信道矩阵，
Figure FDA0003420585990000056
为第k个接收端接收信号的噪声方差，
Figure FDA0003420585990000057
为窃听者端的噪声方差，I为单位矩阵；
第一建立模块，用于确定窃听者端最小均方误差，以发射功率为第一约束条件，以窃听者接收信号的均方误差大于窃听者端最小均方误差为第二约束条件，并以所有接收端的均方差之和最小化为目标函数建立最优化问题模型；
第一求解模块，用于根据线性最小均方误差原则计算解码矩阵，得到解码矩阵的最优解模型；
第二求解模块，用于利用纳什均衡理论构造异步迭代算法求解发射预编码矩阵：
所述第二求解模块具体用于：
设置迭代计数器n＝0，并随机生成发射预编码矩阵的初值Tk (n)＝Tk (0)；
利用所述解码矩阵的最优解计算并更新解码矩阵，得到更新后的解码矩阵
Figure FDA0003420585990000058
利用非奇异矩阵C对所述最优化问题模型进行简化；
确定所述发射预编码矩阵为第一形式的发射预编码矩阵:
Figure FDA0003420585990000059
其中，
Figure FDA0003420585990000061
表示以
Figure FDA0003420585990000062
为元素的对角矩阵；
将所述第一形式的发射预编码矩阵和所述非奇异矩阵C代入所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000063
和所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000064
得到更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000065
和更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000066
Figure FDA0003420585990000067
Figure FDA0003420585990000068
其中，λbi为矩阵
Figure FDA0003420585990000069
的第i个最大特征值，λei为矩阵
Figure FDA00034205859900000610
的第i个最大特征值；
将所述更新后的所述发射端和窃听者端间信号的均方误差矩阵
Figure FDA00034205859900000611
和所述更新后的所述发射端-接收端对中发射端和接收端间传输信号的均方误差矩阵
Figure FDA00034205859900000612
代入所述最优化问题模型，得到：
Figure FDA00034205859900000613
令σ′i＝(1+λeiσi)-1，将所述最优化问题模型转化为凸优化问题:
Figure FDA00034205859900000614
其中，所述凸优化问题的拉格朗日函数为:
Figure FDA0003420585990000071
其中，λk、μk和μ′k为拉格朗日乘子，εk为窃听者端的最小均方误差，tr为求迹运算符，s.t.表示约束条件；
计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵Tk (n+1)；
重复计算并更新每个合法用户端的发射预编码矩阵，直至每个合法用户端的均方误差收敛。
5.根据权利要求4所述的电力线通信系统的编码解码装置，其特征在于，所述最优化问题模型具体为：
Figure FDA0003420585990000072
其中，tr为求迹运算符，
Figure FDA0003420585990000073
为发射预编码矩阵Tk的F范数，εk为窃听者端的最小均方误差，pk为第k个发射端的最大功率，s.t.表示约束条件。
6.根据权利要求5所述的电力线通信系统的编码解码装置，其特征在于，所述第一求解模块具体用于：
将均方误差矩阵
Figure FDA0003420585990000074
对
Figure FDA0003420585990000075
求导并令其导数为0，可得解码矩阵的最优解为
Figure FDA0003420585990000076
CN201810354168.0A 2018-04-19 2018-04-19 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置 Active CN108551357B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810354168.0A CN108551357B (zh) 2018-04-19 2018-04-19 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810354168.0A CN108551357B (zh) 2018-04-19 2018-04-19 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108551357A CN108551357A (zh) 2018-09-18
CN108551357B true CN108551357B (zh) 2022-02-15

Family

ID=63515578

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810354168.0A Active CN108551357B (zh) 2018-04-19 2018-04-19 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108551357B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109639319B (zh) * 2018-11-20 2021-10-01 国网重庆市电力公司电力科学研究院 一种基于复杂电力线拓扑环境下的多源端噪声建模方法
CN110784246A (zh) * 2019-11-02 2020-02-11 广东石油化工学院 一种利用Lagrande因子的PLC信号滤波方法和系统
CN111049552B (zh) * 2019-12-27 2021-06-29 南方电网电力科技股份有限公司 基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107888251A (zh) * 2017-08-25 2018-04-06 国网山东省电力公司莱芜供电公司 多输入多输出电力线通信系统的物理层通信方法和装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8306089B2 (en) * 2009-03-10 2012-11-06 Qualcomm Incorporated Precoding technique for multiuser MIMO based on eigenmode selection and MMSE
CN102571296B (zh) * 2010-12-07 2014-09-03 华为技术有限公司 一种预编码的方法及装置
CN107222439B (zh) * 2017-06-28 2019-12-31 南方电网科学研究院有限责任公司 电力线通信系统的物理层通信方法和装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107888251A (zh) * 2017-08-25 2018-04-06 国网山东省电力公司莱芜供电公司 多输入多输出电力线通信系统的物理层通信方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108551357A (zh) 2018-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9923649B2 (en) Interference measurement method, network-side device and terminal device for improving the interference measurement effect and thus the demodulation performance of data and control channels
JP5433874B2 (ja) プリコーディングのための方法および装置、ならびにデコーディングのための方法および装置
CN108551357B (zh) 一种电力线通信系统的编码解码方法及装置
WO2019041470A1 (zh) 大规模mimo鲁棒预编码传输方法
CN106059640B (zh) 一种基于QoS的VLC保密通信系统发射端设计方法
CN102315872B (zh) 一种lte-a系统中非码本预编码的传输方法
Wen et al. A deterministic equivalent for the analysis of non-Gaussian correlated MIMO multiple access channels
CN110290548B (zh) 一种基于人工噪声的协作空间调制系统的保密速率计算方法
CN111049552B (zh) 基于电力线通信的多跳数据安全传输方法、装置及设备
CN107888251B (zh) 多输入多输出电力线通信系统的物理层通信方法
CN113541752A (zh) 基于信号虚拟分解空域和功率域联合多址接入方法及系统
CN112566159B (zh) 一种基于mimo-noma的增强型小蜂窝下行通信方法
US8472542B1 (en) Method, apparatus, and system for signal transmission
WO2016029686A1 (zh) 一种预编码的方法、装置及系统
US20170048065A1 (en) Method for generating a group secret key based on the radio physical layer and wireless terminal associated therewith
CN111148203A (zh) 异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法
Mao et al. Secure TDD MIMO networks against training sequence based eavesdropping attack
Mao et al. Stemming downlink leakage from training sequences in multi-user MIMO networks
CN110492956B (zh) 一种用于musa系统的误差补偿多用户检测方法及装置
WO2015039294A1 (zh) 一种预编码本选择方法及装置
Chang et al. Sparsity enhanced mismatch model for robust spatial intercell interference cancelation in heterogeneous networks
KR101268730B1 (ko) 주파수 재사용 기법을 활용한 물리계층 보안 강화 시스템 및 방법
CN111431720A (zh) 基于网格统计星座轨迹图的密钥生成方法和通信设备
CN112134603A (zh) Mu-mimo系统安全传输发射信号合成方法
CN115426017B (zh) 一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法及其系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20210602

Address after: 510663 3 building, 3, 4, 5 and J1 building, 11 building, No. 11, Ke Xiang Road, Luogang District Science City, Guangzhou, Guangdong.

Applicant after: China Southern Power Grid Research Institute Co.,Ltd.

Address before: 510663 3 building, 3, 4, 5 and J1 building, 11 building, No. 11, Ke Xiang Road, Luogang District Science City, Guangzhou, Guangdong.

Applicant before: China Southern Power Grid Research Institute Co.,Ltd.

Applicant before: CSG POWER GRID TECHNOLOGY RESEARCH CENTER

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant