CN109039405B - 一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，发射机获取其与接收机之间的信道信息并计算预编码矩阵；接收机估计期望信号和干扰的到达角度并将其差值反馈给发射机；发射机根据接收机反馈的到达角度差值使用复Givens矩阵对预编码矩阵进行旋转，并从旋转后的预编码矩阵中选取预编码向量发送数据。本发明具有改变期望信号的空间特征，躲避干扰，提高通信安全性，降低通信误码率的优点，可用于解决无线通信中的干扰问题。

Description

一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：无线通信的安全性近年来受到越来越广泛的关注，目前，业内常用的技术包括：在物理层，可以通过扩展频谱和载波跳变的方式来增加通信的保密性。现有技术一扩频通信(Spread Spectrum Communication)是在发射端使用扩频码将信号的带宽扩展几十甚至几百倍再发射，在接收端使用与发射端相同的扩频码对信号进行解扩，恢复出原始的信息码的通信方式。按照产生扩频信号的方式不同，扩频通信可以分为直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)，通常称为直扩系统；跳频扩频(Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS)，通常称为跳频系统，具有多频、选码、频移键控的特点；跳时扩频(Time-Hopping Spread Spectrum，THSS)，主要应用于时分多址的通信中；以及其它混合扩频(如DS/FH、DS/TH等)。但是这些技术的应用都是在频域和时域，随着通信设备的增加，设备之间的共道干扰(Co-Channel Interference，CCI)越来越严重，使得时、频域的资源紧缺问题变得日益尖锐。现有技术二多天线跳空技术是收发双方配置多天线，发送方选择若干根天线同时发送信号，接收方选择若干根天线接收信号，通过某种方式使信号在空域中跳变，这种基于天线选择的技术并没有利用到多天线的增益。现有技术三提出一种自适应跳频方法/机制，由一方实时检测信道并对信道进行质量评估(Link Quality Analysis，LQA)，并将评估信息反馈给另一方，双方根据信道状态约定下一跳通信的参数。自适应跳频具有比常规跳频更好的抗干扰性能，但需要通信双方通过信息交互确定跳频参数，实时性要求也较高。现有技术四提出一种基于双向权值训练的多天线跳空方案，通信双方按照跳空图案切换天线实现信息收发。该方案虽然可以在一定程度上改善通信的安全性，但是在一次传输中只使用了收发端的部分天线，损失了多天线的分集增益。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一设备之间的共道干扰越来越严重，使得时、频域的资源紧缺问题变得日益尖锐；干扰使得资源紧张，资源紧张干扰越重。

(2)现有技术二没有利用到多天线的增益，使得系统的容量不能最大化。

(3)现有技术三需要通信双方通过信息交互确定跳频参数，实时性要求也较高。

(4)现有技术四在一次传输中只使用了收发端的部分天线，损失了多天线的分集增益。

解决上述技术问题的难度和意义：

解决上述问题的难度在于：如何有效控制信号的空间特征，使其避开干扰。意义在于：在多天线的基础上，通过对通信信号在空域实施跳变，获得通信的安全性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法。

本发明是这样实现的，一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，所述基于干扰子空间旋转的跳空通信方法的发射机获取其与接收机之间的信道信息并计算预编码矩阵；接收机估计期望信号和干扰的到达角度并将差值反馈给发射机；发射机根据接收机反馈的到达角度差值使用复Givens矩阵对预编码矩阵进行旋转，并从旋转后的预编码矩阵中选取预编码向量发送数据；

发射机Tx0比较期望通信与干扰的到达角度差值|β|与阈值β_th，当|β|＜β_th，其中

时，若β＞0，Tx0对预编码矩阵P₀顺时针旋转一定角度，若β＜0，Tx0对预编码矩阵P₀逆时针旋转一定角度，Tx0计算新的预编码矩阵P₀′＝P₀T_ij，然后从经过旋转的预编码矩阵P₀′中选取第一列作为预编码向量进行数据发送，接下来Rx0评估新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β并反馈给Tx0，需满足|β|＞β_th，其中T_ij是旋转第i列和第j列的复Givens矩阵；

发射机Tx0从经过旋转后的满足|β|＞β_th的预编码矩阵P₀′中选取预编码向量p′₀进行数据发送，其中p′₀是P₀′的第一列向量。

进一步，所述基于干扰子空间旋转的跳空通信方法具体包括以下步骤：

步骤一，发射机Tx0获取H₀，根据该信道信息计算预编码矩阵P₀；

步骤二，接收机Rx0估计期望信号的到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算两者的差值β＝α₀-α₁反馈给发射机Tx0；

步骤三，当|β|＜β_th，其中

时，使用复Givens矩阵对发射机Tx0的预编码矩阵P₀进行旋转，若β＞0，Tx0对预编码矩阵顺时针旋转一定角度，若β＜0，Tx0对预编码矩阵逆时针旋转一定角度，Tx0从旋转后的预编码矩阵中选取第一列作为预编码向量进行数据发送，使新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β满足|β|＞β_th。

进一步，所述步骤一包括：

(1)发射机Tx0发送训练序列到接收机Rx0，Rx0得到Tx0与Rx0之间的信道信息H₀；

(2)接收机Rx0采用一个反馈控制链路，将发射机Tx0到接收机Rx0的信道信息H₀反馈给发射机Tx0；

(3)发射机Tx0对信道信息H₀进行奇异值分解得到

发射机Tx0的预编码矩阵

其中N_t是发射机Tx0配置的天线数，N_r是接收机Rx0配置的天线数，

是H₀的右奇异矩阵V₀的第k个列向量。

进一步，所述步骤二包括：

(1)发射机Tx0从预编码矩阵P₀中选取预编码向量

发送数据x₀，干扰发射机对Rx0造成干扰；

(2)接收机Rx0估计期望信号到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算到达角度间隔β＝α₀-α₁，将β反馈给发射机Tx0。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述无线通信系统中基于干扰子空间旋转的跳空通信方法的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在接收机Rx0处估计期望信号和干扰的到达角度α₀和α₁并向Rx0的发射机Tx0反馈到达角度的差值β＝α₀-α₁，Tx0使用复Givens矩阵旋转原预编码矩阵，并从旋转后的预编码矩阵中选取第一列作为预编码向量，从而改变期望信号的空间特征。本发明通过子空间旋转的方式，躲避了干扰，降低了期望数据传输的误码率，提高了期望通信机对的通信安全性。本发明不仅适用于单期望数据流单干扰的情况，还适用于包括多路期望数据流单干扰、单期望数据流多干扰，以及多路期望数据流多干扰在内的更一般情况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法流程图。

图2是本发明实施例提供的使用的系统模型示意图。

图3是本发明实施例提供的在β_th＝46°时，所提跳空通信方法和波束成形的误码率性能曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明旨在利用子空间旋转，通过改变预编码对通信信号方向进行调整，从而达到躲避干扰的目的；在含有一对期望通信机对和一个干扰机的系统中，利用子空间旋转，通过改变预编码对通信信号方向进行调整，从而达到躲避干扰的目的。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法包括以下步骤：

S101：发射机获取其与接收机之间的信道信息并计算预编码矩阵；

S102：接收机估计期望信号和干扰的到达角度并将其差值反馈给发射机；

S103：发射机根据接收机反馈的到达角度差值使用复Givens矩阵对预编码矩阵进行旋转，并从旋转后的预编码矩阵中选取预编码向量发送数据。

下面结合附图对本发明的应用作进一步的描述。

如图2所示，本发明使用的系统模型是一对期望通信机对和一个干扰机的系统。主要涉及3方：发射机Tx0需要把信息安全传输到接收机Rx0，干扰机Tx1主动发射干扰，破坏期望通信机对的正常通信。发射机Tx0可通过接收机Rx0反馈的方式获取信道状态信息(Channel State Information，CSI)，假设干扰机Tx1具备获知Tx1与Rx0之间CSI的能力，并且Tx1可利用CSI产生不同破坏效果的干扰。发射机Tx0、接收机Rx0和干扰机Tx1的天线数分别为N_t、N_r和N_t。发射机Tx0和接收机Rx0之间以及干扰机Tx1和接收机Rx0之间的信道矩阵为

和

矩阵元素服从零均值、单位方差的复高斯分布，其中

表示复数域。

如图3所示，本发明实施例提供的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法具体包括以下步骤：

步骤1，发射机Tx0获取H₀，根据该信道信息计算预编码矩阵P₀，实现步骤为：

步骤1a，发射机Tx0发送训练序列到接收机Rx0，Rx0得到Tx0与Rx0之间的信道信息H₀；

步骤1b，接收机Rx0采用一个反馈链路，将发射机Tx0到接收机Rx0的信道信息H₀反馈给发射机Tx0；

步骤1c，发射机Tx0对信道信息H₀进行奇异值分解得到

发射机Tx0的预编码矩阵

其中N_t是发射机Tx0配置的天线数，N_r是接收机Rx0配置的天线数，

是H₀的右奇异矩阵V₀的第k个列向量。

步骤2，接收机Rx0估计期望信号的到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算两者的差值β＝α₀-α₁反馈给发射机Tx0，实现步骤为：

步骤2a，发射机Tx0从预编码矩阵P₀中选取预编码向量

发送数据x₀，干扰发射机对Rx0造成干扰；

步骤2b，接收机Rx0利用如多信号分类(Multiple signal classification，MUSIC)的方法估计估计期望信号到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算到达角度间隔β＝α₀-α₁，将β反馈给发射机Tx0。

步骤3，当|β|＜β_th，其中

时，使用复Givens矩阵对发射机Tx0的预编码矩阵P₀进行旋转，若β＞0，Tx0对预编码矩阵顺时针旋转一定角度，若β＜0，Tx0对预编码矩阵逆时针旋转一定角度，Tx0从旋转后的预编码矩阵中选取第一列作为预编码向量进行数据发送，使新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β满足|β|＞β_th，实现步骤为：

步骤3a，Tx0比较|β|与β_th，当|β|＜β_th,其中

时，发射机Tx0计算新的预编码矩阵P₀′＝P₀T_ij，其中：

是进行顺时针旋转的复Givens矩阵，

是进行逆时针旋转的复Givens矩阵，c＝cosθ＞0，

若β＞0，Tx0对预编码矩阵顺时针旋转一定角度θ′，若β＜0，Tx0对预编码矩阵逆时针旋转一定角度θ′，旋转角度θ′与θ、θ₁和θ₂均有关系，且随着θ的增加而增大，随着θ₁和θ₂的增大而减小，本例中，为了尽量减少信道增益的损失，选取合适的θ和θ₁使

尽可能的接近于1，仅使用θ₂控制旋转角度；

步骤3b，发射机Tx0从区间[0,π]内随机选择θ₂，对发射预编码矩阵进行旋转，然后从经过旋转的预编码矩阵中选取第一列作为预编码向量，接下来Rx0评估新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β并反馈给Tx0，若β不满足|β|＞β_th，则Tx0重新选择θ₂，重复执行步骤3b，直至满足|β|＞β_th；

步骤3c，发射机Tx0从经过旋转后的满足步骤3b所述条件的预编码矩阵P₀′中选取预编码向量p′₀发送数据，其中p′₀是P₀′的第一列向量。

下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。

1、仿真条件：

仿真对象：本发明提出的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，与波束成形作比较。其中，波束成形技术是将信号以一种能量集中和定向方式发送给用户的技术。

仿真参数：系统模型中发射机Tx0与干扰机Tx1采用相同功率P_T分别发送单路数据和单个干扰，信噪比

的取值范围为[0,20]dB，

为噪声功率。N_t＝N_r＝4，其中，N_t是发射机Tx0和干扰机Tx1的发射天线数，N_r是接收机Rx0的接收天线数。

2、仿真内容及分析：

当N_t＝N_r＝4时，对接收机Rx0处的误码率进行仿真，其结果如图3所示，其中，纵轴表示误码率，横轴表示信噪比。由于跳空通信方式有效地改变了期望信号的空间特征，躲避了干扰，其误码率小于波束成形的误码率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，其特征在于，所述基于干扰子空间旋转的跳空通信方法的发射机获取其与接收机之间的信道信息并计算预编码矩阵；接收机估计期望信号和干扰的到达角度并将差值反馈给发射机；发射机根据接收机反馈的到达角度差值使用复Givens矩阵对预编码矩阵进行旋转，并从旋转后的预编码矩阵中选取预编码向量发送数据；

发射机Tx0比较期望通信与干扰的到达角度差值|β|与阈值β_th，当|β|＜β_th，其中

时，若β＞0，Tx0对预编码矩阵P₀顺时针旋转一定角度，若β＜0，Tx0对预编码矩阵P₀逆时针旋转一定角度，Tx0计算新的预编码矩阵P₀′＝P₀T_ij，然后从经过旋转的预编码矩阵P₀′中选取第一列作为预编码向量进行数据发送，接下来Rx0评估新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β并反馈给Tx0，需满足|β|＞β_th，其中T_ij是旋转第i列和第j列的复Givens矩阵；

发射机Tx0从经过旋转后的满足|β|＞β_th的预编码矩阵P′₀中选取预编码向量p′₀进行数据发送，其中p′₀是P′₀的第一列向量。

2.如权利要求1所述的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，其特征在于，所述基于干扰子空间旋转的跳空通信方法具体包括以下步骤：

步骤一，发射机Tx0获取H₀，根据该信道信息计算预编码矩阵P₀，其中H₀表示发射机Tx0与接收机Rx0之间的信道状态信息，也即Tx0与接收机Rx0之间的信道矩阵；

步骤二，接收机Rx0估计期望信号的到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算两者的差值β＝α₀-α₁反馈给发射机Tx0；

步骤三，当|β|＜β_th，其中

时，使用复Givens矩阵对发射机Tx0的预编码矩阵P₀进行旋转，若β＞0，Tx0对预编码矩阵顺时针旋转一定角度，若β＜0，Tx0对预编码矩阵逆时针旋转一定角度，Tx0从旋转后的预编码矩阵中选取第一列作为预编码向量进行数据发送，使新的预编码向量作用下的期望通信与干扰的到达角度差β满足|β|＞β_th。

3.如权利要求2所述的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，其特征在于，所述步骤一包括：

(1)发射机Tx0发送训练序列到接收机Rx0，Rx0得到Tx0与Rx0之间的信道信息H₀；

(2)接收机Rx0采用一个反馈控制链路，将发射机Tx0到接收机Rx0的信道信息H₀反馈给发射机Tx0；

(3)发射机Tx0对信道信息H₀进行奇异值分解得到H₀＝U₀Λ₀V₀ ^H，发射机Tx0的预编码矩阵

其中N_t是发射机Tx0配置的天线数，N_r是接收机Rx0配置的天线数，

是H₀的右奇异矩阵V₀的第k个列向量。

4.如权利要求2所述的基于干扰子空间旋转的跳空通信方法，其特征在于，所述步骤二包括：

(1)发射机Tx0从预编码矩阵P₀中选取预编码向量

发送数据x₀，干扰发射机对Rx0造成干扰；

(2)接收机Rx0估计期望信号到达角度α₀和干扰的到达角度α₁，并计算到达角度间隔β＝α₀-α₁，将β反馈给发射机Tx0。

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