CN109450507A - 人工噪声和自干扰迫零联合预编码全双工传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，包括信源、中继以及信宿，包括如下步骤：步骤10、信源采用人工噪声预编码的方式发送需要传输的原始信号给中继；步骤20、中继接收信源发送的原始信号，并把原始信号处理为中继接收信号向量；步骤30、中继使用人工噪声预编码与自干扰迫零技术把中继接收信号向量转为中继发送信号向量，再把中继发送信号向量发送给信宿；步骤40、信宿采用最大比合并的方式进行中继发送信号向量的接收。本发明提升存在窃听者的多天线中继无线通信系统的安全性能，同时降低传输系统的实现复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信和物理层安全领域，尤其涉及一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码全双工传输方法。
背景技术
传统的多天线全双工中继安全传输系统，窃听者可以窃听来自信源和中继的有用信号，为了降低窃听节点对有用信号的窃听，需要设计合适的发送和接收波束形成向量，通常采用两种方案：1)在合法节点已知窃听信道的信道状态信息(CSI，即Channel StateInformation:信道状态信息，在无线通信领域，所谓的CSI，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射、环境衰弱、距离衰减等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。)时，通过最优化理论设计最优波束形成向量，实现安全速率的最大化，该方案尽管能实现最优性能，但是存在实现复杂度大的缺陷；2)在合法节点未知窃听信道的信道状态信息(CSI)时，采用人工噪声预编码低复杂度方案，干扰窃听者的窃听信道传输速率，但是未能有效抑制全双工中继的自干扰，随着中继发送功率的增大，安全速率增加不明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码全双工传输方法，在合法节点未知窃听信道的信道状态信息(CSI)的情况下，为提升存在窃听者的多天线中继无线通信系统的安全性能，同时降低传输系统的实现复杂度。
本发明是这样实现的：
一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，包括信源、中继以及信宿，包括如下步骤：
步骤10、信源采用人工噪声预编码的方式发送需要传输的原始信号给中继；
步骤20、中继接收信源发送的原始信号，并把原始信号处理为中继接收信号向量；
步骤30、中继使用人工噪声预编码与自干扰迫零技术把中继接收信号向量转为中继发送信号向量，再把中继发送信号向量发送给信宿；
步骤40、信宿采用最大比合并的方式进行中继发送信号向量的接收。
进一步地，所述步骤10中，信源采用人工噪声预编码的方式传输原始信号，其原始信号具体表示为：
其中，x为保密信号，PA为信源的发送总功率，ρ为信源的发送总功率PA分配给保密信号的比例因子，表示与HAR的最大右特征向量相匹配的向量，为某矩阵的最大右特征向量的计算符号，HAR为信源至中继的信道矩阵，v1为人工噪声干扰信号，其中每个元素为单位方差复高斯随机变量，WA为的零空间的正交基，即：为HAR的共轭转置，NA为信源配置的天线数量。
进一步地，所述步骤20中，中继接收原始信号形成中继接收信号向量，中继接收信号向量具体表示为：
yR＝HARxA+HRRxR+nR (2)
其中，nR为中继的接收加性白高斯噪声向量，HRR为全双工中继自干扰信道矩阵，xR为中继发送信号向量，由于xR中包含消除自干扰的预编码形式，所以HRRxR＝0，则公式(2)转换为：
公式(3)中，由于WA为的零空间的正交基，所
进一步地，所述步骤20之后还包括：
步骤21、为最大化中继接收原始信号，将中继的接收波束形成向量wr与HAR的最大左特征向量相匹配，即：其中表示与HAR的最大左特征向量，为某矩阵的最大左特征向量的计算符号；经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量yR′为：
进一步地，所述步骤30中，中继发送信号向量xR表示为：
中继的发送总功率，α为中继的发送总功率PR分配给保密信号的比例因子，表示与HRB的最大右特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，yR′为经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量，为和的合成矩阵的零空间，v2为中继发送的人工噪声干扰信号，NRr为中继的接收天线数量。
进一步地，信宿对中继发送信号向量采用最大比合并方式进行接收，信宿接收信号向量yB具体如下：
其中，表示与HRB的最大左特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，nB为信宿接收的加性白高斯噪声向量，由于WR中包含的零空间，所以
进一步度，步骤40之后还包括：
步骤50、根据信宿接收信号向量计算信宿接收信噪比，信宿接收信噪比具体为：
还包括窃听者，窃听者同时接收到来自信源和中继的信号，窃听者采用选择合并方式，于是窃听者的接收信噪比表示为：
其中，gA为信源至窃听者的窃听信道向量，gE为中继至窃听者的窃听信道向量；
结合式(7)和式(8)计算出系统的安全速率为：
本发明具有如下优点：
本发明将全双工技术应用在中继端，并采用人工噪声和自干扰迫零联合预编码方案设计全双工中继的发送信号，具有减少自干扰和降低窃听信道速率的优势，能以较低的系统复杂度实现较高的安全传输性能。
本发明与现有采用最优波束形成的方案相比，具有复杂度低的优势；现有的最优波束形成方案需要利用凸优化工具采用迭代算法计算出发送波束，形成向量或矩阵，而本发明仅需要设计线性预编码矩阵，且无需获知窃听节点的CSI，因而具有复杂度低的优势。
本发明与现有的单纯的人工噪声预编码方案相比，设计了能消除全双工多天线中继自干扰的迫零预编码矩阵，从而提升了安全速率。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中全双工中继窃听系统模型。
图2为本发明所提及联合预编码方法中所使用安全性能指标平均可达安全速率随系统发射功率变化对比图。
具体实施方式
为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提出一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码方案，应用在包括信源、中继、信宿和窃听者四个节点的安全无线通信系统中。
全双工中继窃听系统模型如图1所示，信源A需借助中继R的帮助传输信息至信宿B，窃听者E可以窃听到信源A和中继R的信息，信源A和信宿B均配置多根天线(分别为NA和NB)，全双工中继配置NRt根发送天线和NRr根接收天线，且满足NA>NRr和NRt>NRr，窃听者E配置单天线，传输单数据流。在窃听信道的信道状态信息(CSI)未知的情况下，为最大化系统安全速率，可采用人工噪声和自干扰迫零联合预编码方案。具体方案设计如下：
本发明的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，包括信源、中继以及信宿，包括如下步骤：
步骤10、信源采用人工噪声预编码(ANP)的方式发送需要传输的原始信号给中继；其原始信号具体表示为：
其中，x为保密信号，PA为信源的发送总功率，ρ为信源的发送总功率PA分配给保密信号的比例因子，表示与HAR的最大右特征向量相匹配的向量，为某矩阵的最大右特征向量的计算符号，HAR为信源至中继的信道矩阵，v1为人工噪声干扰信号，其中每个元素为单位方差复高斯随机变量，WA为的零空间的正交基，即：为HAR的共轭转置，NA为信源配置的天线数量，因此人工干扰信号仅会干扰窃听节点而不会干扰目的节点。
步骤20、中继接收信源发送的原始信号，并把原始信号处理为中继接收信号向量；中继接收信号向量具体表示为：
yR＝HARxA+HRRxR+nR (2)
其中，nR为中继的接收加性白高斯噪声(AWGN)向量，HRR为全双工中继自干扰信道矩阵，xR为中继发送信号向量，由于xR中包含消除自干扰的预编码形式，所以HRRxR＝0，则公式(2)转换为：
公式(3)中，由于WA为的零空间的正交基，所以
为最大化中继接收原始信号，将中继的接收波束形成向量wr与HAR的最大左特征向量相匹配，即：其中表示与HAR的最大左特征向量,为某矩阵的最大左特征向量的计算符号；经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量yR′为：
步骤30、中继使用人工噪声预编码与自干扰迫零技术把中继接收信号向量转为中继发送信号向量，再把中继发送信号向量发送给信宿；同时，为进一步干扰窃听节点，并且从空域上消除全双工中继的自干扰，本发明提出一种新的中继处理方案：ANP结合自干扰迫零(ANP&SZF)，即中继发送信号向量xR可按照发送迫零(TZF)方法设计为：中继发送信号向量xR表示为：
中继的发送总功率，α为中继的发送总功率PR分配给保密信号的比例因子，表示与HRB的最大右特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，yR′为经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量，为和的合成矩阵的零空间，v2为中继发送的人工噪声干扰信号，NRr为中继的接收天线数量；因此中继发送的干扰信号仅会干扰窃听节点，而不会干扰到自身和目的端。
步骤40、信宿采用最大比合并的方式进行中继发送信号向量的接收，信宿接收信号向量yB具体如下：
其中，表示与HRB的最大左特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，nB为信宿接收的加性白高斯噪声向量，由于WR中包含的零空间，所以
步骤50、根据信宿接收信号向量计算信宿接收信噪比，信宿接收信噪比具体为：
窃听者E同时接收到来自信源A和中继R的信号，窃听者E采用选择合并方案，于是E的接收信噪比可表示为：
其中，gA为信源A至窃听者E的窃听信道向量，gE为中继R至窃听者E的窃听信道向量。
结合式(7)和式(8)计算出系统的安全速率为：
整个传输过程在一个时隙内完成。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明方法在信源和中继节点都采用了ANP传输方案，通过向窃听节点发送人工噪声干扰，有效地降低了窃听节点对保密信号的接收效果；
(2)本发明方法中，中继采用人工噪声和自干扰迫零联合预编码方案，在降低窃听速率的同时，也消除了自干扰的不利影响；
(3)本发明中所设计的预编码方案无需合法节点获知窃听信道的CSI，降低了实现复杂度。
(4)本发明方法能显著提升系统的安全传输性能。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明所提出的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码方案不局限于实施例。
如图2所示为本发明所提及联合预编码方法中所使用安全性能指标平均可达安全速率随系统发射功率变化对比图。为凸显本发明所提联合预编码方案的性能表现，图2中给出其他两种方案性能作为对比。这两种对比方案分别为“ANP传输方案”和“最大比发送方案”。所谓ANP传输方案指采用信源和中继都只采用ANP方案，中继不采用迫零方案消除自干扰；最大比发送方案是指信源和中继采用最大比发送MRT方式来设计发送波束形成向量，即信源和中继不发送人工噪声去干扰窃听节点的接收。其中，假设各信道均服从瑞利衰落分布，信源和信宿的天线数分别为NA＝NB＝4，中继的发送和接收天线数分别为：NRt＝4，NRr＝2。横坐标的发送总功率为P＝PA+PR，其中PA＝PR。由图2可知本发明所提联合预编码方案与传统方案相比，可有效地提升系统平均可达安全速率性能。
以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，包括信源、中继以及信宿，其特征在于：包括如下步骤：
步骤10、信源采用人工噪声预编码的方式发送需要传输的原始信号给中继；
步骤20、中继接收信源发送的原始信号，并把原始信号处理为中继接收信号向量；
步骤30、中继使用人工噪声预编码与自干扰迫零技术把中继接收信号向量转为中继发送信号向量，再把中继发送信号向量发送给信宿；
步骤40、信宿采用最大比合并的方式进行中继发送信号向量的接收。
2.根据权利要求1所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：所述步骤10中，信源采用人工噪声预编码的方式传输原始信号，其原始信号具体表示为：
其中，x为保密信号，PA为信源的发送总功率，ρ为信源的发送总功率PA分配给保密信号的比例因子，表示与HAR的最大右特征向量相匹配的向量，为某矩阵的最大右特征向量的计算符号，HAR为信源至中继的信道矩阵，v1为人工噪声干扰信号，其中每个元素为单位方差复高斯随机变量，WA为的零空间的正交基，即： 为HAR的共轭转置，NA为信源配置的天线数量。
3.根据权利要求2所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：所述步骤20中，中继接收原始信号形成中继接收信号向量，中继接收信号向量具体表示为：
yR＝HARxA+HRRxR+nR (2)
其中，nR为中继的接收加性白高斯噪声向量，HRR为全双工中继自干扰信道矩阵，xR为中继发送信号向量，由于xR中包含消除自干扰的预编码形式，所以HRRxR＝0，则公式(2)转换为：
公式(3)中，由于WA为的零空间的正交基，所以
4.根据权利要求3所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：所述步骤20之后还包括：
步骤21、为最大化中继接收原始信号，将中继的接收波束形成向量wr与HAR的最大左特征向量相匹配，即：其中表示与HAR的最大左特征向量,为某矩阵的最大左特征向量的计算符号；经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量yR′为：
5.根据权利要求4所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：所述步骤30中，中继发送信号向量xR表示为：
其中，为HRR的零空间的正交基，为HRR的共轭转置，PR为中继的发送总功率，α为中继的发送总功率PR分配给保密信号的比例因子，表示与HRB的最大右特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，yR′为经中继的接收波束形成向量wr处理后的中继接收信号向量，为和的合成矩阵的零空间，v2为中继发送的人工噪声干扰信号，NRr为中继的接收天线数量。
6.根据权利要求5所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：信宿对中继发送信号向量采用最大比合并方式进行接收，信宿接收信号向量yB具体如下：
其中，表示与HRB的最大左特征向量相匹配的向量，HRB为中继至信宿的信道矩阵，nB为信宿接收的加性白高斯噪声向量，由于WR中包含的零空间，所以
7.根据权利要求6所述的一种人工噪声和自干扰迫零联合预编码的全双工传输方法，其特征在于：步骤40之后还包括：
步骤50、根据信宿接收信号向量计算信宿接收信噪比，信宿接收信噪比具体为：
还包括窃听者，窃听者同时接收到来自信源和中继的信号，窃听者采用选择合并方式，于是窃听者的接收信噪比表示为：
其中，gA为信源至窃听者的窃听信道向量，gE为中继至窃听者的窃听信道向量；
结合式(7)和式(8)计算出系统的安全速率为：
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