CN111585620A - 基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义空间调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义空间调制方法，包括步骤：发送方对信息比特进行广义空间调制得到调制符号；发送方根据接收方反馈的信道信息、调制符号以及最小化发射功率的原则产生对应激活发射天线上的人工噪声；发送方使用功率归一化系数对调制符号和产生的人工噪声一起进行加权处理后，再通过激活发射天线发射出去。在GSM‑MIMO系统传输中，对比于传统的AN方案，本发明提供的一个新的PM‑AN设计方案旨在减小发射功率，它不仅大大提高了Bob的误码率性能，同时也保证了窃听方较差的误码率性能。

Description

基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义空间调制方法

技术领域

本发明涉及无线通信物理层安全技术，特别涉及多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)技术、广义空间调制(Generalized Spatial Modulation， GSM)技术、人工噪声(Artificial Noise，AN)技术。

背景技术

空间调制(Spatial Modulation，SM)作为一种新的多输入多输出方法被提 出，可以在一个时隙仅激活一根天线，并利用激活的天线索引以携带其他信息， 同时降低了收发机的复杂性。近年来，空间调制的物理层安全得到了广泛关注， 人工噪声(ArtificialNoise，AN)作为保证物理层安全的技术被引入到空间调制 中。但由于空间调制要求仅激活一根发射天线，人工噪声却要求发射天线数大于 接收天线数，这造成了目前提出的AN-SM系统的兼容性存在很大的问题。广义 空间调制(Generalized Spatial Modulation，GSM)作为激活多根发射天线的空间 调制，它完美地解决了这一兼容性问题，同时拥有的更高的频谱效率，但目前却 没有得到足够的关注。

另一方面，常规的AN方案采取高斯白噪声的随机矩阵，只为了提高窃听方 已知合法方的信道状态信息(Channel State Information，CSI)时的系统安全性， 带来了功率的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对解决了AN-SM系统中的不兼容问题与 功率浪费的问题，提供一种充分考虑人工噪声辅助的广义空间调制(Artificial Noise AidedGSM，AN-GSM)方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于最小化发射功率的人 工噪声辅助的广义空间调制方法，包括以下步骤：

1)通信双方确定发射天线总个数N_t与接收天线总个数N_r，指定通信时需要 激活的发射天线数量N_a，N_a＞N_r；

2)发送方对信息比特进行广义空间调制得到调制符号；

3)发送方根据接收方反馈的信道信息，调制符号以及最小化发射功率的原 则产生对应N_a根激活的发射天线上的人工噪声；

4)发送方使用功率归一化系数对调制符号和产生的人工噪声一起进行加权 处理后，再通过激活的N_a根发射天线发射出去。

介于目前研究中没有充分考虑人工噪声辅助的广义空间调制(Artificial NoiseAided GSM，AN-GSM)，本发明给出了系统模型实现，并将人工噪声仅添加在 发射天线上。

由于在大多数情况中，窃听方都无法获得合法方的CSI，因此本发明针对功 率浪费的问题，提出了一种最小化发射功率的AN-GSM，大大提高了功率效率， 且保持了人工噪声的干扰效应，提升了合法方的误码率(Bit Error Ratio，BER)性 能的同时，保持了对窃听方可观的干扰效果。

本发明的有益效果为，在GSM-MIMO系统传输中，对比于传统的AN方案， 本发明提供的一个新的PM-AN设计方案旨在减小发射功率，它不仅大大提高了 Bob的误码率性能，同时降低了窃听者的误码率性能。

附图说明

图1是传统AN与本发明PM-AN方案的区别图；

图2是本发明提出的基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义空间调制 的系统框图；

图3为PM-AN辅助的GSM方案与传统GSM方案下，Bob和Eve的误码率 性能对比；

图4为PM-AN方案，AN方案的功率分配系数θ＝0.9时，Bob和Eve的误 码率性能对比；

图5为PM-AN方案，AN方案的功率分配系数θ＝0.5时，Bob和Eve的误 码率性能对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更 好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计 的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里就被忽略。

为更好地对本发明进行说明，先介绍本发明技术方案所用到的术语和系统结 构。

MIMO：MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线， 使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。

GSM：GSM技术是空间调制的一般性推广。广义空间调制作为一种新的 MIMO调制技术能降低MIMO系统中多天线带来的高功耗和系统的复杂度。

AN：AN技术指人为在发送信号向量中添加不影响合法接受方解调的噪声， 使窃听方受到人为添加的噪声的干扰，从而提高安全性的物理层技术。

在人工噪声辅助的功率最小化(Power Minimization Aided AN，PM-AN)方案 中，通过最小化功率以人工噪声作为辅助，进行广义空间调制，不仅没有占用有 效信号的功率分配，还进一步减少了所需的发射功率。

A.传统GSM系统模型

考虑一个点对点的通信系统，发送方为Alice，接收方为Bob，窃听方为Eve。 发送天线，激活天线，合法方接收天线和窃听方接收天线的数目分别为N_t，N_a， N_r和N_e，且考虑到人工噪声的生成条件，有N_a＞N_r。此外，假定Alice和Bob 能获得平坦衰落信道下完美的CSI。

传统的GSM信息比特通过两类不同的调制方式被传输，可以表示为：

其中，

表示向下取整运算，

表示二项式运算，第一个η_l比特决定了所有激 活天线的位置索引

剩下的 η_s比特被映射成为每根激活天线上的M阶星座图的集合，

因此，每一个信道的传输向量 可以被表示为

其中，x_l是第l根激活天线的索引，

是大小为N_t的单位矩阵的第x_l列，代表第x_l根天线被激活。因此，对于一个瑞利衰落信道，Bob和Eve接收到的信号可以 表示为

其中，

表示Alice和Bob之间的信道矩阵，

表示Alice和Eve 之间的信道矩阵，均服从复高斯分布CN(0,1)，且

代表复数域。

均表示复高斯白噪声向量，u和v的每个元素都是均值为0的复高斯随 机变量，方差分别为

和

分别指的是合法方 与窃听方有效的CSI，

x_i是第i根激活天线的索引位置。 根据Bob和Eve接收到的信号，Bob和Eve的检测可分别通过极大似然解调(ML) 准则表示为

B.AN-GSM系统模型

在本发明中，接收方使用极大似然解调规则。在窃听方已知其信道矩阵G的 情况下，可完全正确的解调出发送的信号。因此，AN-GSM安全通信方案通过 在激活的射频链上产生时变的人工噪声，对合法接收方Bob无影响，但是对非 法接收方Eve产生了干扰。

考虑到人工噪声只能添加在激活天线的符号上，故按照如下方式生成V₀：

对

进行奇异值分解产生零空间，

其中，(·)^H表示矩阵的共轭转置运算，

表示

的零空间，有

为了避免在SM系统中引入AN时出现的射频链增加问题，我们只希 望人工噪声只添加在GSM系统中激活的天线上。为了实现该目标，首先，我们 定义一个零矩阵

其次，V中的激活天线的位置上的元素

由V₀的元素替代，具体公式如下

最后，AN-GSM的传输向量由传统GSM部分和AN部分组成，公式如下

其中，θ是功率分配系数，代表有效信号

所占用的功率比，

表示 随机高斯矩阵，每个元素独立同分布的复高斯随机变量，均值为0，方差为

因此，Bob和Eve的接收向量可以分别用公式表示为：

由于

故有

说明人工噪声的添加不会对合法方的接受 产生干扰。

即使窃听方Eve能够完美获得G的信息，也只能如下给出极大似然解调检 测法则：

C.PM算法

传统的AN方案，r采用任意确定的高斯随机矩阵，只为了提高窃听方已知 合法方的信道状态信息(Channel State Information，CSI)时的系统安全性，却 带来了功率的浪费。由于在大多数情况中，窃听方都无法获得合法方的CSI，因 此，本发明基于Eve不知道H的假设下，通过最小化发射功率，在确保GSM系 统的安全性的同时，实现最大化合法方的传输性能。附图1给出了传统AN和本 发明提出的PM-AN方案的不同，传统的AN产生的干扰围绕待发送的调制符号， 带来了功率浪费的问题。PM-AN方案使得AN干扰与信号的总功率尽可能小， 在保证干扰强度的同时最小化所需的发送功率，从而最大化提升合法方误码率性能。在给定的有效信号和H时，PM-AN的优化方案可以被如下表示

为了得到上式的最优解，首先化简上述目标函数

对目标函数进行求导，可以得到其梯度的表达式

令梯度为0，则可以求得r的最优解

r＝-V₀ ^Hsⁱ.

在使用PM-AN方案的情况下，平均的发射功率可推导如下

其中，E(·)表示求期望运算，tr为矩阵的迹。

传统的GSM的发射功率为E{||sⁱ||²}＝N_a。本发明提出的PM-AN方案减少了

比例的发射功率。最终，归一化的发射符号可以表示为

其中，

表示功率归一化因子。最终，Bob和Eve的接收向量可以分别表 示为

图2给出了利用本发明提出的基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义 空间调制系统。发送端将信息比特经过广义空间调制之后输入人工噪声生成器， 人工噪声生成器根据接收端反馈回来的信道信息产生的时变的人工噪声，并将人 工噪声添加到被激活的信道上，最后将添加了人工噪声的调制符号经过N_t个发 送天线发射出去；接收端信道检测器对N_r个接收天线接收到的信号进行检测并 将检测结果反馈至发送端的人工噪声生成器，使得人工噪声生成器能够合理调整 时变的人工噪声，使得人工噪声对合法接收方无影响，对非法接收方产生干扰， 接收信号经信道检测器后输入最大似然估计ML检测单元，ML检测单元检测被 激活信道经广义空间解调恢复出信息比特。

发射步骤：

步骤1：确定要选择的系统的参数，即确定发射天线个数N_t，激活的发射天 线个数N_a，接收天线个数N_r，其中N_a＞N_r。

步骤2：发送方对信息比特进行广义空间调制得到调制符号的集合；

步骤3：基于PM-AN辅助的GSM系统，根据接收方反馈的信道信息与待 发送的调制信号集合来建立最小发射功率的目标函数，求出最优解r，计算出最 小的发射功率，并产生对应N_a根激活的发射天线上的人工噪声Vr；

步骤4：发送方使用功率归一化系数对调制符号和人工噪声进行加权处理后， 再通过激活的N_a根发射天线发射出去。

D.仿真结果

本节首先将理论边界与仿真结果进行比较。此外，我们将AN-GSM的仿真 结果与提出的PM-AN辅助的GSM的仿真结果进行了比较，证明了本发明的方 案与常规GSM相比具有更高的可靠性和安全性。此外，还通过仿真比较证明了 所提出的PM-AN方案的优势，这验证了本发明不仅为Bob上提供了更好的BER 性能，同时对Eve也保持了相当大的干扰。以下仿真基于BPSK调制的前提，极 大似然检测准则，并且

图3对比了PM-AN辅助的GSM方案与传统的GSM方案的误码率性能，且 仿真参数设置为：N_t＝4,N_a＝3,N_r＝2,N_e＝2。结果表明，传统的GSM面临信 息泄漏的潜在风险，由于Eve具有与Bob相同的BER仿真结果。通过将Bob的 BER性能提高2dB，同时明显抑制了Eve的检测，因此本发明提出的PM方案 优于传统的GSM方案。

图4对比了PM-AN方案与AN方案的误码率性能，且仿真参数设置为： N_t＝4,N_a＝3,N_r＝2,N_e＝2,θ＝0.9。从图4可以得出，PM-AN方案通过将Bob 处的SNR增益提高约3dB，同时抑制Eve处的BER性能，为系统提供了更好 的权衡。

图5对比了PM-AN方案与AN方案的误码率性能，且仿真参数设置为： N_t＝4,N_a＝3,N_r＝2,N_e＝2,θ＝0.5。结果表明，在Eve端，本发明提出的PM-AN 方案的BER性能与AN方案的误码率性能在θ＝0.5时，实现了很好的一致性。 同时，在Bob端，本发明提出的PM-AN方案比AN方案性能提升了近5dB。综 上，本发明提出的PM-AN方案有效减少了传统AN方案的功率浪费。

Claims (4)

1.基于最小化发射功率的人工噪声辅助的广义空间调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通信双方确定发射天线总个数N_t与接收天线总个数N_r，指定通信时需要激活的发射天线数量N_a，N_a＞N_r；

2)发送方对信息比特进行广义空间调制得到调制符号；

3)发送方根据接收方反馈的信道信息以及最小化发射功率的原则产生对应N_a根激活的发射天线上的人工噪声；

4)发送方使用功率归一化系数对调制符号和产生的人工噪声一起进行加权处理后，再通过激活的N_a根发射天线发射出去。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2具体为：

2-1)发送方根据接收方反馈的信道信息对被激活的信道向量

进行奇异值分解产生零空间V₀，满足

为复数域；

2-2)发送方首先生成一个零矩阵V，

再对应激活发送天线的位置填入零空间V₀中的各元素更新零矩阵V；

2-3)发送方根据最小化发射功率的原则生成随机高斯矩阵r，

其中每个元素为满足均值为0，方差为(1-θ)N_a/(N_a-N_r)的复高斯分步的随机变量；

2-4)发送方将更新后的零矩阵V与高斯矩阵r相乘得到人工噪声。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2-1)具体为：

对被激活的信道向量

进行奇异值分解：

其中，(·)^H表示矩阵的共轭转置运算，

为酉矩阵，

为对角矩阵，其元素为

的奇异值，

为酉矩阵，

为其前N_r列，

为其后N_a-N_r列。

4.如权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2-3)具体为：

计算r＝-V₀ ^Hsⁱ，其中，sⁱ为待发送的调制符号的集合。

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