CN108882226B - 基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在相同的载波数下支持更多用户的安全接入的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，属于信息与通信技术领域。本发明适用于上行链路，包括：S1：J个用户共享N个非正交子载波，并且J>N；J个用户的输入信号分别根据安全矩阵进行非正交安全映射,实现多址接入；S2：J路非正交安全映射后的信号分别进行非正交复用，且在非正交复用中可以改变带宽压缩因子；S3：J路非正交复用后的信号叠加成一路在信道中进行传输；S4：接收端对接收的信号进行非正交解复用；S5：根据安全矩阵对非正交解复用后的信号进行非正交安全解映射，获得J个用户输入信号的估计值。本发明还可以提高安全无线通信的性能、提高带宽利用率，同时保持每载波相同的传输速率。

Description

基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及无线通信接入系统的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法。

背景技术

作为未来无线通信系统的重要组成部分，物联网(IoT)提供无处不在的连接和信息交换，以实现智能城市，全球卫星通信和安全应急系统等一系列服务和应用。然而，由于海量数据访问和异构网络环境，物联网已经引发了频谱资源，带宽效率和安全问题的巨大压力。因此，近来物联网的这些方面引起了广泛的关注。

诸如正交频分多址(OFDMA)，码分多址(CDMA)，时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)的正交多址(OMA)方案在频域或码域中将不同的用户分配给正交资源或副载波在时间，以减轻载波间干扰(ICI)。OMA方案是通过分组域服务中的单用户检测实现系统级吞吐性能的理想选择。但是，当稀缺的带宽资源完全由信道条件差的用户占用时，频谱效率令人担忧。另外，正交资源的调度粒度和总量限制了传统OMA方案中支持用户的最大数量。因此，OMA方案难以满足即将到来的需求，如数据速率，频谱资源和物联网的网络吞吐量，这已经引发了将创新的新技术变为现实的紧迫感。

非正交多址(NOMA)已经在第三代合作伙伴计划长期演进(3GPP-LTE)中提出，并被设想为物联网的一项基本使能技术。NOMA的主要特点是多个用户以相同的时间/频率/代码提供服务，与传统的OMA相比，可以显着提高频谱效率。一般分为电力域多路复用和低密度扩频(LDS)，稀疏码多址(SCMA)，多用户共享接入(MUSA)等等。LDS和SCMA都享有低复杂度的接收技术，但SCMA通过引入多维复杂码本/星座来提供比LDS更多的编码增益。还提出了一些其他多址方案，如格分区多址(LPMA)，模式分割多址(PDMA)，位分复用(BDM)和软件定义多址(SoDeMA)。在NOMA方案中，每个正交资源块服务于多个用户，保证不同信道条件的用户可以同时使用相同的带宽资源，从而实现用户公平性和系统吞吐量之间的良好平衡。

已经提出时域和频域中的非正交数据传输方案以相对于传统的正交频分复用(OFDM)来提高带宽效率。频谱有效的频分复用(SEFDM)和快于奈奎斯特信号(FTN)是两个重要的研究方向，探索如何以超过奈奎斯特对于给定信道的无干扰传输的正交性限制进行传输，这提供了显着的带宽节省相同的符号率。SEFDM和FTN都是通过减少子载波之间的间隔来实现高频谱效率的传输方案，但是这些仍很难满足未来物联网海量接入的需求。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种在相同的载波数下支持更多用户的安全接入的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法。

本发明的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，所述方法适用于上行链路，该方法包括：

S1：J个用户共享N个非正交子载波，并且J>N；J个用户的输入信号分别根据安全矩阵进行非正交安全映射,实现多址接入；

S2：J路非正交安全映射后的信号分别进行非正交复用，且在非正交复用中可以改变带宽压缩因子；

S3：J路非正交复用后的信号叠加成一路在信道中进行传输；

S4：接收端对接收的信号进行非正交解复用；

S5：根据安全矩阵对非正交解复用后的信号进行非正交安全解映射，获得J个用户输入信号的估计值。

优选的是，所述S1包括：

S11：对每个用户的输入信号进行编码：

b_j＝[b_j0,b_j1,...,b_jm-1]^T表示第j个用户的输入二进制位j＝1,2…J，

表示编码后的N维复数码本的尺寸；

对第j个用户的输入二进制位进行编码：

d_j＝p_j(b_j)

其中d_j＝[d_j,0,d_j,1,...,d_j,L-1]^T是第j个用户发送的b_j对应的L维星座点，p_j是第j个用户的星座函数；

S12：对编码后的信号d_j进行稀疏：

通过映射矩阵V将L维度星座点映射到N维度码字：

x_j＝Vd_j

其中，x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T表示第j个用户的多维码字，V是通过将N-L个零行插入到L维单位矩阵中而构成的N×L矩阵，N>L，以确保码字的稀疏性；

S13：对第j个用户的多维码字x_j进行安全映射：

将所有用户的码字{x_j,1≤j≤J}映射到MPSK/MQAM星座图中，根据码字的相位表示出映射关系：

码字x_j被映射为S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T，其表示为：

其中

是一个N维列向量；S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T和x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T都是N维列向量；x_j,n是x_j的第n行元素，它通过乘以映射参数

转换为MPSK/MQAM符号S_j,n，n＝0,...,N-1，⊙是Hadamard乘积，表示两个矩阵的相应元素相乘；

安全矩阵A是用于安全映射的J×N矩阵，安全矩阵A的每个传输符号是唯一的，A＝[A₁,...,A_j,...,A_J]^T，第j行和第n列元素为：

A_j,n＝x_j,n/S_j,n,j＝1,...,J。

优选的是，所述S2包括：

将每个S_j通过N个共享的子载波传输；每个S_j后面填充K-N个零，进行K点离散傅里叶逆变换，K点离散傅里叶逆变换的输出被截断，只剩下前N个样本s＝[s₁,s₂,...,s_J]^T，且第j个用户的采样信号矢量表示为s_j＝[s_j,0,s_j,1,...,s_j,N-1]^T；

其中F^-1是标准的K点IDFT矩阵，

是F^-1的前N行、前N列，F^-1的第k行和第n列元素如下：

第j个用户的第n个采样信号的矢量表示为：

其中α＝N/K表示带宽压缩因子。

优选的是，所述S4包括：

接收端获取时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T；

在接收端的时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T的尾部之后插入K-N个零，进行K点离散傅立叶变换；

K点离散傅立叶变换输出的前N个样本作为频域接收信号，频域接收信号为R＝[R₀,R₁,...,R_N-1]^T：

其中，F是K点DFT矩阵，F_N是F的前N行、前N列，F的第k行和第n列元素：

对频域接收信号R进行ICI检测，消除插值失真，完成非正交解复用，非正交解复用后的信号为P＝[P₀,P₁,...,P_N-1]^T。

优选的是，所述S4中，采用ID检测法或ML检测法对频域接收信号R进行ICI检测。

优选的是，所述S5包括：

非正交解复用后的信号P通过安全解映射转换为y＝[y₀,y₁,...,y_N-1]^T，实现如下表示：

y＝P⊙A_j

其中，A_j＝[A_j0,A_j1,...,A_jN-1]^T，y＝[y₁,...,y_j,...,y_J]^T；

采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码，获得J个用户的最佳估计码字

再估计出J个用户二进制位

优选的是，所述S5中，采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码的过程为：

MAP检测表示为：

其中

是J个用户的最佳估计码字；

表示笛卡尔积；

将求最佳的问题转化为函数的边际化产物MPF，并利用因子图来降低计算复杂度；

大多数后验MAP算法通过传递用户和子载波之间的星座点的外在信息迭代地更新与因子图中的边相关联的信念，其中更新的消息是双向的：

和

是从第j个用户到第n个子载波上传递的消息，以及从第n个子载波传递到第j个用户的消息；

消息在q次迭代中反复更新，更新进度表示：

其中，

X是

的一个组合，δ∈ε_j/n表示除去第j个用户与非正交子载波n连接用户的集合，η_n表示与非正交子载波n连接用户的集合，r_n表示函数节点，r_δ表示集合δ内的函数节点，v_j表示变量节点，v_δ表示集合δ内的变量节点，x_δ表示占用第n个非正交子载波的用户的发送码字集合，

表示最佳估计码字，normalize()表示归一化，ε_j表示与用户j连接非正交子载波的集合；同时：

N₀表示噪声平均功率；

一旦迭代次数达到最大值或者用户的码字已经收敛到特定的水平，大多数后验MAP算法将停止并估计每个用户的最可靠的码字。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明能够解决频谱资源紧缺、多用户接入、物联网物理层安全等问题。本发明结合非正交安全多址接入，在相同的载波数下支持更多用户的安全接入，还可以提高安全无线通信的性能，同时采用非正交多路复用，通过减少子载波间的频率间隔来提高带宽利用率，同时保持每载波相同的传输速率。将安全矩阵结合到安全映射中，防止不安全接入情况，提高了系统的安全特性。通过改变带宽压缩因子，本发明不但可以在正交性和非正交性之间灵活切换，还可以在复用过程中改变子载波间的间隔，从而使本发明能够适应各种场景。通过理论推导与仿真验证本发明提供比OFDMA具有更高的频谱效率。

附图说明

图1为本发明的HSESA系统的原理示意图；

图2为安全映射图，I_m表示虚部，R_e表示实部；

图3为因子图和消息传递；

图4为本发明的HSESA分别采用ID检测法和ML检测法的性能比较图；

图5为本发明的HSESA分别采用ID和ML的复加量比较图；

图6为本发明的HSESA分别采用ID和ML的复乘量比较图；

图7为过载因子为150％时的HSESA与结合安全性的OFDMA频谱效率性能比较图；

图8为过载因子为250％时的HSESA与结合安全性的OFDMA频谱效率性能比较图；

图9为压缩因子为4/5时的HSESA与结合安全性的OFDMA频谱效率性能比较图。

具体实施方式

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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，简称HSESA，图1为HSESA系统，适用于上行链路，该方法包括：

S1：J个用户共享N个非正交子载波，并且J>N；J个用户的输入信号分别根据安全矩阵进行非正交安全映射,实现多址接入；

S2：J路非正交安全映射后的信号分别进行非正交复用，且在非正交复用中可以改变带宽压缩因子；

S3：J路非正交复用后的信号叠加成一路在信道中进行传输；

S4：接收端对接收的信号进行非正交解复用；

S5：根据安全矩阵对非正交解复用后的信号进行非正交安全解映射，获得J个用户输入信号的估计值。

本实施方式能够解决频谱资源紧缺、多用户接入、物联网物理层安全等问题。该体制结合非正交安全多址接入，在相同的载波数下支持更多用户的安全接入，还可以提高安全无线通信的性能，同时采用非正交多路复用，通过减少子载波间的频率间隔来提高带宽利用率，同时保持每载波相同的传输速率。将安全矩阵结合到安全映射中，防止不安全接入情况，提高了系统的安全特性。通过改变带宽压缩因子，本实施方式不但可以在正交性和非正交性之间灵活切换，还可以在复用过程中改变子载波间的间隔，从而使本实施方式能够适应各种场景。通过理论推导与仿真验证本实施方式提供比OFDMA具有更高的频谱效率。

本实施方式的S1为了实现非正交安全多址接入，如图1所示，优选实施例中，S1包括：

S11：对每个用户的输入信号进行编码：

HSESA的编码器被定义为从

比特到具有

尺寸的N维复数码本的映射。b_j＝[b_j0,b_j1,...,b_jm-1]^T表示第j个用户的输入二进制位j＝1,2…J；

HSESA的固有特性限制了每个用户可以访问的子载波的数量，这意味着用户层需要以稀疏的方式传播信号。对第j个用户的输入二进制位进行编码：

d_j＝p_j(b_j) (1)

其中d_j＝[d_j,0,d_j,1,...,d_j,L-1]^T是第j个用户发送的b_j对应的L维星座点，p_j是第j个用户的星座函数；

S12：对编码后的信号d_j进行稀疏：

通过映射矩阵V将L维度星座点映射到N维度码字：

x_j＝Vd_j (2)

其中，x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T表示第j个用户的多维码字，V是通过将N-L个零行插入到L维单位矩阵中而构成的N×L矩阵，N>L，以确保码字的稀疏性；

S13：对第j个用户的多维码字x_j进行安全映射：

如图2所示，将所有用户的码字{x_j,1≤j≤J}映射到MPSK(multiple phase shiftkeying，多进制数字相位调制)/MQAM(Multiple Quadrature Amplitude Modulation，多进制正交幅度调制)星座图中，根据码字的相位表示出映射关系：

码字x_j被映射为S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T，其表示为：

其中

是一个N维列向量；S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T和x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T都是N维列向量；x_j,n是x_j的第n行元素，它通过乘以映射参数

转换为MPSK/MQAM符号S_j,n，n＝0,...,N-1，⊙是Hadamard乘积，表示两个矩阵的相应元素相乘；

安全矩阵A是用于安全映射的J×N矩阵，安全矩阵A的每个传输符号是唯一的，A＝[A₁,...,A_j,...,A_J]^T，第j行和第n列元素为：

A_j,n＝x_j,n/S_j,n,j＝1,...,J (5)。

优选实施例中，本实施方式的S2包括：

将每个S_j通过N个共享的子载波传输；在非正交复用过程中，K点离散傅里叶逆变换IDFT用于产生HSESA时间信号，每个S_j后面填充K-N个零，进行K点离散傅里叶逆变换，K点离散傅里叶逆变换的输出被截断，只剩下前N个样本s＝[s₁,s₂,...,s_J]^T，且第j个用户的采样信号矢量表示为s_j＝[s_j,0,s_j,1,...,s_j,N-1]^T；

其中F^-1是标准的K点IDFT矩阵，

是F^-1的前N行、前N列，F^-1的第k行和第n列元素如下：

第j个用户的第n个采样信号的矢量表示为：

其中α＝N/K表示带宽压缩因子。

假定采样频率被选择为F_s＝NΔf，其中HSESA的子载波间隔Δf，则在一个HSESA信号周期T中将存在N个样本，并且Δf＝α/T。当α＝1时，也就是Δf＝1/T也就是一个正交方案。

优选实施例中，本实施方式的S4包括：

接收端获取时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T；

在接收端的时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T的尾部之后插入K-N个零，进行K点离散傅立叶变换；

K点离散傅立叶变换输出的前N个样本作为频域接收信号，频域接收信号为R＝[R₀,R₁,...,R_N-1]^T：

其中，F是K点DFT矩阵，F_N是F的前N行、前N列，F的第k行和第n列元素：

由于HSESA中子载波之间的正交性损失，需要额外的解调器来消除插值失真，因此接收过程中需要针对由正交性丧失而产生的ICI的复杂检测法。对频域接收信号R进行ICI检测，消除插值失真，完成非正交解复用，非正交解复用后的信号为P＝[P₀,P₁,...,P_N-1]^T。但是，检测法反过来会影响本实施方式的错误性能。

本实施方式分别列举迭代(ID)和最大似然(ML)两种检测法。ID检测法：

HSESA中的非正交ICI可被认为是非线性失真。ID检测法是针对由线性或非线性操作引起的失真的补偿方法，以消除插值失真。

P是由失真矩阵G描述的失真操作失真，即

然后P可以从失真版本重构。如图3所示，这种迭代方法可以在数学上表示为

其中λ是松弛参数，

是n次迭代后的输出，

是n-1次迭代后的输出，并且I表示酉矩阵。对于这种迭代方法，如果失真的功率小于信号的功率，即

则可以通过迭代方法在无限次数的迭代之后重建期望的信号。但如果是非线性失真操作，正确选择松弛因子λ可以加速重建。

ML检测法：

最佳最大似然检测器搜索整个发射信号集

并决定有利于最小化到接收向量R的欧几里得距离的发射信号

即

其中

表示星座空间。

最后，ML解调符号矢量

被看作是来自安全矩阵的发送符号的估计，其用于为多用户安全解映射和进一步的解复用。

优选实施例中，本实施方式的S5包括：

非正交解复用后的信号P通过安全解映射转换为y＝[y₀,y₁,...,y_N-1]^T，实现如下表示：

y＝P⊙A_j (13)

其中，A_j＝[A_j0,A_j1,...,A_jN-1]^T，y＝[y₁,...,y_j,...,y_J]^T；

采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码，获得J个用户的最佳估计码字

再估计出J个用户二进制位

优选实施例中，本实施方式的S5中，采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码的过程为：

MAP检测表示为：

其中

是J个用户的最佳估计码字；

表示笛卡尔积；

将求最佳的问题转化为函数的边际化产物MPF，但随着用户层和子载波的增加，计算复杂度可以呈指数增长。因此，消息传递算法利用因子图来降低计算复杂度。

本实施方式利用因子图来降低计算复杂度；因子图可以给出一个明确的方式来说明。用图3描述了一个例子。用户层J＝6和子载波K＝4之间的边缘意味着用户层的信号通过相应的子载波传输。

大多数后验MAP算法通过传递用户和子载波之间的星座点的外在信息迭代地更新与因子图中的边相关联的信念，图3显示了消息更新的图形化插图。其中更新的消息是双向的：

和

是从第j个用户到第n个子载波上传递的消息，以及从第n个子载波传递到第j个用户的消息；

消息在q次迭代中反复更新，更新进度表示：

其中，

X是

的一个组合，δ∈ε_j/n表示除去第j个用户与非正交子载波n连接用户的集合，η_n表示与非正交子载波n连接用户的集合，r_n表示函数节点，r_δ表示集合δ内的函数节点，v_j表示变量节点，v_δ表示集合δ内的变量节点，x_δ表示占用第n个非正交子载波的用户的发送码字集合，

表示最佳估计码字，normalize()表示归一化，ε_j表示与用户j连接非正交子载波的集合；同时：

N₀表示噪声平均功率；

一旦迭代次数达到最大值或者用户的码字已经收敛到特定的水平，大多数后验MAP算法将停止并估计每个用户的最可靠的码字。

本实施方式要证明具有良好的频谱效率性能和不错的复杂度须按下面进行实施与分析。

频谱效率分析：

假设信号带宽被选择为B＝NΔf，其中Δf是HSESA的子载波间隔，那么在一个HSESA信号周期T中将存在N个样本，并且Δf＝α/T。为了在不同系统之间进行公平的比较，所有考虑的系统都应使用相同的信道带宽B。为此，HSESA的子载波数量应设置为：1

N＝N_OFDM/α (18)

其中N_OFDM是考虑的带宽的OFDM子载波的数量。根据码本结构设计，我们考虑从码本中选择的码字的协方差矩阵。

其中s_j表示1×N列向量，并且每个条目表示1×N矩阵。互信息可以被认为是：

其中N₀表示噪声的平均功率。当输入s遵循高斯分布时，(20)中的等式成立。然后，替换方程式中提到的协方差表达式。将(19)代入方程(20)可以得到：

第n个子信道的频域接收信号矢量可以表示为：

考虑到高斯信道的特性，第n个子信道的频域接收信号矢量可以简化为：

从(23)中可以看出，第二项表示使用非正交子载波引起的子载波间干扰，第三项表示噪声项。噪声的平均功率可以计算为：

子载波间干扰的平均功率可以计算如下：

吞吐量可以定义为：

其中γ_n代表第n个子信道的信号干扰噪声比(SINR)。γ_n可以表示为

第j个用户的平均功率可以定义为p_j，并且p₁＝…＝p_j＝…p_J＝p。变量d_v被定义为连接到一个用户层的子载波的数量，以及变量d_c被定义为连接到一个子载波的用户层的数量。

HSESA系统的吞吐量是

因此HSESA系统的频谱效率是

复杂度分析：

ID检测和ML检测应用于HSESA，它们具有不同的检测原理。这两种方法的复杂度通过复数加法(CA)和复数乘法(CM)进行评估。

在ID检测中，首先得到需要N³个CM和N³-N²个CA的矩阵G。

和λG执行N²+N个CM。(I-λG)将增加N²个CA.在每次迭代中，

执行N²个CM和N²-N个CA，N个CA由

和

的求和运算执行。因此，ID检测的计算复杂度可以计算为N³+(N²)·(v+1)+N个CM和N³+(N²)·v个CA，其中v表示迭代次数。

在ML检测中，

是一个固定的向量，并且R是具有N⁴个可能性的向量。当只考虑一种可能性时，

通过N个CA得到。

执行N个CA和N-1个CM。因此，ID检测的复杂度可以计算为N⁵个CM和2N⁵-N⁴个CA。

图4显示了AWGN信道中HSESA在ID检测和ML检测情况下的BER性能比较。在图中分别示出了六个曲线组，分别表示在不同带宽压缩因子下的ID和ML检测的BER性能曲线。可以清楚地看到，ML检测比ID检测具有更好的BER性能，以节省更高的带宽。随着带宽压缩因子接近1，α→1，ML检测的与ID检测都逐渐趋于良好的BER性能。

表1

使用表1中的分析结果，由CM和CA的计算数量评估的复杂度分别在图5和图6中示出。在图5中，演示了关于不同带宽因子和DFT大小的CM计算编号。从图5中可以清楚地看出，ID检测方法与之前的ML检测方法相比证明了显着的复杂性降低，并且即使对于低DFT大小的低带宽因子，其性能也更好。同样，可以得到几乎完全相同的结果。此外，可以得到一个明显的结论：ID检测器执行比ML检测器低的复杂度。

图7和图8显示的对于过载因子为150％和250％时的HSESA系统和具有安全性的OFDMA针对上行链路频谱效率性能进行比较，横坐标为SNR，并且SNR＝10log₁₀(E{|S_j,n|²}/N₀)。HSESA的增益是显而易见的，并随着SNR的增加而增长。可以清楚地看到，对于相同的带宽，HSESA比OFDMA显示更好的频谱效率性能。但是，应该特别注意的是，在不同过载因素的情况下，α＝1曲线与α＝4/5曲线之间存在交点。这种情况是由于在子载波间隔压缩后所产生的载波间干扰造成的。在未来的工作中，我们可以通过提出新的检测方法来减少载波间干扰，从而提高HSESA的频谱效率。在每个过载因子的情况下α＝1,4/5,4/6，HSESA的频谱效率在不同的带宽压缩因子下得到证明。从图中可以看出，HSESA的较小带宽压缩因子具有更好的频谱效率性能。从图9可以看出，HSESA较大的过载因子具有较好的频谱效率性能。

本发明的具有双非正交特性的高频谱效率安全接入(HSESA)方法，该方法包含了非正交多址接入和非正交复用，并且具有安全性。通过研究频谱效率和带宽效率的性能，显示出优于正交性能的优势。本文提出了高频谱效率安全接入(HSESA)，具有以下特点：1)通过非正交安全映射将二进制时域数据映射到具有安全性的多维复域稀疏码字；2)HSESA的过载因子可以通过设计码本来改变，使得系统能够承受多个用户接入，iii)非正交重叠副载波用于非正交复用，以通过减小副载波之间的频率间隔来增强带宽利用率，iv)通过改变带宽压缩因子HSESA可以在复用过程中灵活切换正交性和非正交性。v)HSESA通过使用安全矩阵来阻断窃听者的接收，从而提高物理层(PHY)的安全性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，其特征在于，所述方法适用于上行链路，该方法包括：

S1：J个用户共享N个非正交子载波，并且J>N；J个用户的输入信号分别根据安全矩阵进行非正交安全映射,实现多址接入；

S2：J路非正交安全映射后的信号分别进行非正交复用，且在非正交复用中可以改变带宽压缩因子；

S3：J路非正交复用后的信号叠加成一路在信道中进行传输；

S4：接收端对接收的信号进行非正交解复用；

S5：根据安全矩阵对非正交解复用后的信号进行非正交安全解映射，获得J个用户输入信号的估计值；

所述S5包括：

非正交解复用后的信号P通过安全解映射转换为y，实现如下表示：

y＝P⊙A_j

其中，A_j＝[A_j，0,A_j，1,...,A_j，N-1]^T，y＝[y₁,...,y_j,...,y_J]^T；

安全矩阵A是用于安全映射的J×N矩阵，安全矩阵A的每个传输符号是唯一的，A＝[A₁,...,A_j,...,A_J]^T，A_j中的第j行和第n列元素为A_j,n；

采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码，获得J个用户的最佳估计码字

再估计出J个用户二进制位

所述S5中，采用大多数后验MAP算法对信号y进行解码的过程为：

MAP检测表示为：

其中

是J个用户的最佳估计码字；

表示笛卡尔积；

将求最佳的问题转化为函数的边际化产物MPF，并利用因子图来降低计算复杂度；

大多数后验MAP算法通过传递用户和子载波之间的星座点的外在信息迭代地更新与因子图中的边相关联的信念，其中更新的消息是双向的：

和

是从第j个用户到第n个子载波上传递的消息，以及从第n个子载波传递到第j个用户的消息；

消息在q次迭代中反复更新，更新进度表示：

其中，

X是

的一个组合，d_c为连接到一个子载波的用户的数量，δ∈ε_j/n表示除去第j个用户与非正交子载波n连接用户的集合，η_n表示与非正交子载波n连接用户的集合，r_n表示函数节点，r_δ表示集合δ内的函数节点，v_j表示变量节点，v_δ表示集合δ内的变量节点，x_δ表示占用第n个非正交子载波的用户的发送码字集合，

表示最佳估计码字，normalize()表示归一化，ε_j表示与用户j连接非正交子载波的集合；同时：

N₀表示噪声平均功率；

一旦迭代次数达到最大值或者用户的码字已经收敛到特定的水平，大多数后验MAP算法将停止并估计每个用户的最可靠的码字。

2.根据权利要求1所述的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，其特征在于，所述S1包括：

S11：对每个用户的输入信号进行编码：

b_j＝[b_j0,b_j1,...,b_jm-1]^T表示第j个用户的输入二进制位j＝1,2…J，

表示编码后的N维复数码本的尺寸；

对第j个用户的输入二进制位进行编码：

d_j＝p_j(b_j)

其中d_j＝[d_j,0,d_j,1,...,d_j,L-1]^T是第j个用户发送的b_j对应的L维星座点，p_j是第j个用户的星座函数；

S12：对编码后的信号d_j进行稀疏：

通过映射矩阵V将L维度星座点映射到N维度码字：

x_j＝Vd_j

其中，x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T表示第j个用户的多维码字，V是通过将N-L个零行插入到L维单位矩阵中而构成的N×L矩阵，N>L，以确保码字的稀疏性；

S13：对第j个用户的多维码字x_j进行安全映射：

将所有用户的码字{x_j,1≤j≤J}映射到MPSK/MQAM星座图中，根据码字的相位表示出映射关系：

码字x_j被映射为S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T，其表示为：

其中

是一个N维列向量；S_j＝[S_j,0,S_j,1,...,S_j,N-1]^T和x_j＝[x_j,0,x_j,1,...,x_j,N-1]^T都是N维列向量；x_j,n是x_j的第n行元素，它通过乘以映射参数

转换为MPSK/MQAM符号S_j,n，n＝0,...,N-1，⊙是Hadamard乘积，表示两个矩阵的相应元素相乘。

3.根据权利要求2所述的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，其特征在于，所述S2包括：

将每个S_j通过N个共享的子载波传输；每个S_j后面填充K-N个零，进行K点离散傅里叶逆变换，K点离散傅里叶逆变换的输出被截断，只剩下前N个样本s＝[s₁,s₂,...,s_J]^T，且第j个用户的采样信号矢量表示为s_j＝[s_j,0,s_j,1,...,s_j,N-1]^T；

其中F^-1是标准的K点IDFT矩阵，

是F^-1的前N行、前N列，F^-1的第k行和第n列元素如下：

第j个用户的第n个采样信号的矢量表示为：

其中α＝N/K表示带宽压缩因子。

4.根据权利要求3所述的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，其特征在于，所述S4包括：

接收端获取时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T；

在接收端的时域采样信号r＝[r₀,r₁,...,r_N-1]^T的尾部之后插入K-N个零，进行K点离散傅立叶变换；

K点离散傅立叶变换输出的前N个样本作为频域接收信号，频域接收信号为R＝[R₀,R₁,...,R_N-1]^T：

其中，F是K点DFT矩阵，F_N是F的前N行、前N列，F的第k行和第n列元素：

对频域接收信号R进行ICI检测，消除插值失真，完成非正交解复用，非正交解复用后的信号为P＝[P₀,P₁,...,P_N-1]^T。

5.根据权利要求4所述的基于双非正交特性的高频谱效率安全接入方法，其特征在于，所述S4中，采用ID检测法或ML检测法对频域接收信号R进行ICI检测。

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