CN110311717A - 基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了混合模拟与数字结构发射机中，基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法。该方法需要在已知期望用户与窃听者角度信息和角度误差分布的情况下，分别设计模拟预编码、有用信号数字预编码和人工噪声数字预编码。首先利用相位对齐的思想设计模拟波束成形矩阵，并进一步考虑角度误差设计稳健的模拟波束成形。在模拟波束成形矩阵确定的情况下，通过最小化混合预编码与全数字预编码之间的欧几里得距离分别设计稳健的有用信号数字波束成形向量与人工噪声数字波束成形矩阵。为了提高系统的能效并降低设计复杂度，此处采用部分连接型的混合结构。本发明采用混合结构显著降低电路成本，安全速率性能与误码率性能都有显著提升。

Description

基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法。
背景技术
近年来，随着无线通信技术与无线容量需求的迅猛增长，安全问题愈发引起了人们的关注。物理层安全技术，通过利用无线信道的特性来最大化期望用户信道和窃听者信道之间的差异，为通信安全提供了另一种保障。作为一种新兴的安全的物理层传输技术，方向调制近些年来引起了学术界和工业界的广泛关注。通过提前获知期望用户与窃听者的方位信息，方向调制可以将有用信号集中发射给期望方向，而使得窃听方向收到的信号星座图产生失真。
传统的方向调制技术可以分为两类：第一类是基于射频前端的技术，Babakhani提出了一种基于近场直接天线调制的技术，通过使用大量的反射器和开关调整信号的幅度和相位；Daly提出了一种相控阵方向调制技术，通过改变阵元的相位产生期望方向信号的幅度和相位。但是此类方法需要进行大量重复的实验。第二类是基于基带的方向调制合成技术，这种合成算法通过添加人工噪声来进一步扭曲窃听方向接收信号的星座图，并通过将人工噪声投影到期望方向导向向量的零空间来消除人工噪声对期望用户的影响，从而保证信息的安全传输。常用的方向调制的合成算法包括零空间投影算法，块对角化算法以及基于泄露的算法等。
但是，传统的关于方向调制技术的研究主要集中于全数字结构，随着天线阵列规模的不断增加，大规模MIMO系统所带来的功耗与硬件复杂度将不断增加，此时考虑混合模拟与数字结构的方向调制系统将变得尤为重要。传统的混合波束成形通过设计模拟预编码与数字预编码来逼近最优的全数字预编码，由于射频链路的约束以及模拟预编码固有的模一约束，最优混合预编码的设计仍然非常困难。而考虑了安全的混合结构方向调制系统中，由于加入了人为噪声，混合波束成形的设计将是个非常具有挑战性的问题。因此，本发明提出了一种安全的基于混合结构的稳健的方向调制合成技术，通过预先采用DOA估计获得期望方向，并采用相位对齐思想设计模拟波束成形，进一步地运用角度误差的密度运用条件期望设计稳健的模拟波束成形，最后通过最小化模拟预编码与全数字预编码之间的欧氏距离分别设计有用信号数字波束成形向量与人工噪声数字波束成形矩阵，从而提升系统的安全速率。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法，首先利用相关测向算法获得期望用户与窃听者的角度信息与角度误差的近似分布。然后通过相位对齐与角度误差分布设计稳健的模拟波束成形矩阵，最后通过最小化混合预编码与全数字预编码间的欧几里得距离设计稳健的有用信号数字波束成形向量和人工噪声数字波束成形矩阵。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：利用混合结构的测向算法进行角度估计，并随机产生大量训练数据，并采用直方图拟合的方法获得角度误差的近似分布；在获得角度信息的情况下，考虑角度误差的分布并利用相位对齐的思想设计稳健的模拟波束成形。在确定了模拟波束成形矩阵的情况下，利用最小化欧式距离的思想分别设计有用信号数字波束成形向量以及人工噪声数字波束成形矩阵。
进一步地，具体过程包括：S1.利用混合结构的测向算法进行角度估计。在获得所需的期望角度与窃听角度信息情况下，随机产生大量训练数据，并采用直方图拟合的方法获得角度误差的近似分布；S2.在获得角度信息的情况下，利用相位对齐的思想设计模拟波束成形。将模拟部分每个子阵分别对准期望用户的导向向量以进行相位匹配，由于此处的相位直接由估计角度获得，又称为非稳健的算法。随后，考虑角度误差的分布，利用角度误差的条件期望求出混合每个子阵每个元素的相位，设计出稳健的模拟波束成形矩阵；S3.在确定了模拟波束成形矩阵的情况下，利用最小化欧式距离的思想设计相应的数字波束成形。首先通过最小化有用信号混合预编码与有用信号全数字预编码之间的二范数设计稳健的有用信号数字波束成形向量，然后通过最小化人工噪声混合预编码与人工噪声全数字预编码之间的F范数设计稳健的人工噪声数字波束成形矩阵。
有益效果：本发明提出的基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法，具有如下优点：1.本方法相比于传统的全数字方向调制系统，采用结合模拟预编码与数字预编码的混合结构，能够减少射频链路的数目，从而降低电路成本与硬件功耗；2.本方法实现了先估计角再进行方向调制的一体化混合结构收发机；3.本方法设计了稳健的DM的混合波束成形，与非稳健的混合DM波束成形相比，本方法在安全速率与误码率方面的性能都有相当的提升。
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为方向调制稳健的混合波束成形设计框图。
图2所示为所提的稳健的DM混合波束成形算法与非稳健算法的安全速率与信噪比变化曲线。
图3所示为所提的稳健的DM混合波束成形算法与非稳健算法的误码率与信噪比变化曲线。
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。
本发明给出一个基于混合结构的方向调制系统模型，其中基站采用部分连接型的混合结构，N元均匀线性阵列由K个子阵构成，每个子阵有M根天线，期望用户和窃听用户均为单天线接收机。在利用相关测向算法估计出角度与角度误差密度函数后，基站Alice作为发射机实行DM的混合波束成形。此时，Alice的发射信号可以表示为
其中Ps为总发射功率，β表示有用信号信号功率分配因子，1-β表示人工噪声功率分配因子。和分别表示有用信号和人工噪声。为模拟预编码矩阵，和分别代表有用信号数字预编码和人工噪声数字预编码，并且满足由于采用部分连接型混合结构，VRF可以表示为
其中vk为子阵k的波束成形向量，满足
定义自由空间的信道向量为
其中hk(θ)H表示子阵k的导向向量，可以表述为
经过信道的传输，在期望用户Bob出的接收信号表示为
其中nd示期望接收机噪声，服从分布。
同样地，在窃听者Eve处的接收信号为
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
RS＝max{0,R(θd)-R(θe)} (9)
由于基于混合结构的方向调制稳健的波束成形设计中包含三个需要设计的矩阵变量，直接优化上述的安全速率问题仍然十分棘手。因此，本发明首先设计出模拟的预编码，再通过固定模拟预编码分别设计有用信号数字预编码和人工噪声数字预编码。
1)稳健的模拟波束成形的设计
在已经获得期望用户的角度与角度误差分布的情况下，一种直观的设计模拟波束成形的方式就是调整模拟部分移相器的使其相位对准期望方向。此时，VRF中第k个子阵vk可以表示为
其中由公式(4)给出。由于上述模拟波束成形的设计是将估计角当作理想角，并未考虑角度误差，因此(10)中给出的是非稳健模拟波束成形(Non robust analogbeamforming,NRAB)的设计方法。通过考虑角度误差并利用其分布，我们设计了一种稳健的模拟波束成形(Robust analog beamforming,RAB)算法，其表述如下
2)有用信号数字波束成形的设计
混合模拟与数字结构中，一种经典的求解混合波束成形矩阵的方法是通过最小化混合预编码与全数字预编码之间的欧几里得距离来交替求出模拟预编码和数字预编码。由于前述已经求出所需的模拟波束成形矩阵，自然地我们将通过最小化有用信号的混合预编码与有用信号全数字预编码之间的欧氏距离来求出稳健的有用信号数字波束成形向量，优化目标可以表述为
其中vFD表示有用信号全数字波束成形向量。此处我们采用常用的稳健的零空间投影有用信号全数字预编码。由于部分连接型模拟波束成形的特殊结构，我们可以发现因此，||VRF,RABvBB||2＝||vBB||2＝1。所以(12)中的优化函数可以简化为
定义优化函数中的目标函数为
因此，目标函数相对于变量vBB的一阶导数表示为
令(15)等于零，可以得到
因此，将上式归一化后可以得到有用信号数字波束成形向量的表达式为
3)人工噪声数字波束成形的设计
设计人工噪声的数字波束成形的方法与设计有用信号数字波束成形的方法相类似。同样的，人工噪声的全数字预编码采用常用的稳健的零空间投影人为噪声全数字波束成形矩阵。因此，求解人工噪声的数字波束成形TBB的优化问题可以表述为
利用上述优化问题可以简化为
同样地，(19)中的目标函数可以具体表述为
其中g＝vec(TFD)，t＝vec(TBB)。同时，(19)中的约束条件可以重新表述为因此，原优化问题(19)可以转化为
其中(21)的目标函数可以表示为
由于
目标函数可以进一步简化为
对式(24)关于tH求导数并令其等于零，可以得到t的最优解为
其中QHg可以进一步表示为
根据(25)，(26)和t＝vec(TBB)，稳健的人工噪声数字波束成形矩阵可以很容易的通过反拉直操作得到。至此完成了基于方向调制的稳健的混合波束成形方的设计。
图1所示为基于混合结构的方向调制混合波束成形算法设计框图。
图2描述了所提的稳健的方向调制混合波束成形算法与非稳健算法的安全速率与信噪比示意图，其中发射机的总天线为64根，射频链路数分别为4，8,16根。从图中可以看出，所提的稳健的方向调制混合波束成形算法的安全速率性能优于非稳健算法，并且随着射频链路数的减少，提出的稳健的算法与非稳健算法之间的性能差异越大，这表明提出的稳健的混合DM波束成形可以获得更好的安全传输性能。
图3所示为提出的稳健的混合DM波束成形算法与非稳健算法的误码率与信噪比曲线，其中发射机总天线数为64，射频链路数分别为4，8，16根。从图中可以看出，所提的稳健的混合DM波束成形可以获得更好的误码率性能。

Claims (4)

1.基于方向调制的稳健的混合波束成形设计方法，其特征在于：基站采用部分连接型的混合结构，首先利用相关测向算法获得期望用户与窃听者的角度信息与角度误差的近似分布，然后通过相位对齐与角度误差分布设计稳健的模拟波束成形矩阵，最后通过最小化混合预编码与全数字预编码间的欧几里得距离设计稳健的有用信号数字波束成形向量和人工噪声数字波束成形矩阵，具体过程包括：
S1.利用混合结构的测向算法进行角度估计，在获得所需的期望角度与窃听角度信息情况下，随机产生大量训练数据，并采用直方图拟合的方法获得角度误差的近似分布；
S2.在获得角度信息的情况下，利用相位对齐的思想设计模拟波束成形，将模拟部分每个子阵分别对准期望用户的导向向量以进行相位匹配，由于此处的相位直接由估计角度获得，又称为非稳健的算法，随后考虑角度误差的分布，利用角度误差的条件期望求出混合每个子阵每个元素的相位，设计出稳健的模拟波束成形矩阵；
S3.在确定了模拟波束成形矩阵的情况下，利用最小化欧式距离的思想设计相应的数字波束成形，首先通过最小化有用信号混合预编码与有用信号全数字预编码之间的二范数设计稳健的有用信号数字波束成形向量，然后通过最小化人工噪声混合预编码与人工噪声全数字预编码之间的F范数设计稳健的人工噪声数字波束成形矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于混合结构的稳健的方向调制波束成形设计方法，其特征在于：发射机采用部分连接型的混合结构，且发射信号中添加了人工噪声，因此需要设计三部分波束成形矩阵，包括模拟波束成形，有用信号数字波束成形以及人工噪声数字波束成形。
3.根据权利要求1所述的基于混合结构的稳健的方向调制波束成形设计方法，其特征在于：直接利用估计的角度进行相位对齐设计的是非稳健的模拟波束成形，利用估计角度并结合其角度误差的分布进行相位对齐设计的是稳健的模拟成形。
4.根据权利要求1所述的基于混合结构的稳健的方向调制波束成形设计方法，其特征在于：通过最小化混合波束成形与全数字波束成形间的欧氏距离设计对应的数字预编码时，需固定模拟波束成形矩阵。
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