CN111970037B - 一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法 - Google Patents

一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法，针对存在窃听者的单用户时间反转传输系统，以保密速率最大化为优化目标对预均衡器进行优化设计。先建立满Karush‑Kuhn‑Tucker(KKT)一阶必要条件的解的数学模型，然后将该解的求解转换为矩阵的最大特征值的求解问题，并给出一种迭代算法来求解。相比较对采用常规匹配预滤波器的多天线时间反转传输系统，本发明给出的方案具有更高的保密传输速率，且只需要对一个预均衡器进行优化。

Description

一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建 方法
技术领域
本发明涉及信息通信领域，具体是构建多天线预均衡时间反转安全传输系统中的预均衡器。
背景技术
在无线通信系统中，发送信号会经过不同的路径到达接收端，造成信号的时延扩展，产生符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。RAKE接收和接收均衡可消除或减轻ISI，并能使各径传输信号的能量聚集起来增强接收信号的强度。对于处理能力和功耗限制较大的接收机，如物联网中的节点，常不能采用较为复杂的接收均衡器或RAKE接收。时间反转(Time Reversal，TR)传输是一种在发送端对发送信号进行预处理，实现对无线信道中的多径传输进行利用的技术。TR传输一般分为两步：首先是接收端发送一个信道探测脉冲信号给发送端，发送端根据接收到的脉冲信号估计得到多径信道的脉冲响应(ChannelImpulse Response，CIR)，发送端将CIR的时间反转和共轭作为TR预滤波器的抽头系数；然后发送信号经过TR预滤波器滤波后再发送到信道上。TR传输系统中处理主要在发送端，接收端的复杂度很低。TR预滤波器和多径信道互为匹配滤波器，信号经过TR滤波和信道传输后，在特定时刻会在期望的接收机处出现明显的能量峰值，而在偏离峰值的时刻能量有明显的衰减。在其他不同位置上的接收端，由于信道特性不同，预滤波器与信道不是匹配滤波关系，接收信号的能量峰值明显低于期望接收机。该特性称为TR传输的空域和时域聚焦特性。TR传输早期的研究主要针对水声通信，近年来在无线通信的应用也受到了关注。文献[Wang Beibei,Wu Yongle,Han Feng,et al.Green wireless communications:a time-reversal paradigm[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(8):1698-1710.doi:10.1109/JSAC.2011.110918.]验证了TR的时空聚焦性，证明TR通信系统中射频能量的泄露更少，对非期望接收机的干扰更低。TR传输的时间聚焦性能在一定程度上减弱ISI，但ISI仍然存在，在时延扩展较大的情况下仍然会对信号接收带来较为严重的影响。在不采用接收均衡的情况下，可以采用对发送信号进行上采样，以增大发送符号间隔的方式减轻ISI，但会造成频谱效率下降；也可以针对最小化ISI的要求或最大化信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR)的要求对TR预滤波器的抽头系数进行优化。文献[Lei Weijia,Yao Li.Performance analysis of time reversalcommunication systems[J].IEEE Communications Letters,2019,23(4):680-683.]推导了TR系统中接收端信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)的概率密度函数和累积分布函数，分析了遍历容量、中断概率和BPSK调制下误码率，并说明了ISI随着上采样因子的增加而减少。文献[Kyritsi P,Stoica P,Papanicolaou G,et al.Time reversal and zero-forcing equalization for fixed wireless access channels[J].1977 11th AsilomarConference on Circuits,Systems and Computers,1977.Conference Record,2005:1297-1301.]将均衡准则应用在TR滤波器的设计中，通过实际测试表明，相比较采用常规匹配预滤波器，采用所提方案设计的TR滤波器能获得更低的误码率。
无线通信的开放性和信道的广播性使得在无线网络中信息的传输过程易受到攻击，信息的安全传输是至关重要的问题。物理层安全利用无线信道的特性，采用物理层上的技术提高合法接收端相对窃听端的接收信号质量差异，进而应用安全信道编码实现信息传输的安全。多天线技术是物理层安全中最有效的技术手段之一。相对于单天线系统，发送端配备多天线时拥有更高的空间自由度，可采用波束赋形将信号指向合法接收端，并抑制窃听端的信号强度。但在受到体积、功耗等限制的节点上，由于只能配备单根天线，物理层安全传输性能的提升受到了很大的制约。TR传输的空间聚焦特性使其具有天然的抗干扰能力和抗窃听能力，非常适合应用到物理层安全传输中。文献[Lei Weijia,Yang Miaomiao,YaoLi,Lei Hongjiang.Physical layer security performance analysis of the timereversal transmission system[J].IET Communications,2020,14(3):635-645.]推导了TR系统中合法接收端和窃听端的SNR的概率密度函数和分布函数，并在此基础上推导了合法信道和窃听信道的容量、可达保密速率，以及合法接收端和窃听端的解调错误概率，最后通过仿真验证了合法信道能达到比窃听信道更高的传输速率和更低的误码率。文献[CaoWei,Lei Jing,Hu Weidong,et al.Secrecy capacity achievable time reversal pre-filter in MISO communication system and the unequal secrecy protectionapplication[J].Wireless Personal Communications,2017,97(4):5427-5437.doi:10.1007/s11277-017-4787-x.]研究了多输入单输出(Mingle-Input Single-Output，MISO)TR传输系统中可达保密速率最大化的TR预滤波器设计，提出了在保密性能方面优于常规TR的预处理滤波器的设计方案。
采用多发送天线可有效提高系统的性能，对于TR传输系统而言，采用多天线同样能明显提高系统性能。多天线TR系统中，每个天线都对应有一个TR预滤波器。如要获得更优的性能，需要对所有的TR预滤波器进行联合优化，当天线和多径数量较多时，优化的复杂度非常高。预均衡时间反转(Pre-equalized Time Reversal，ETR)传输是在TR传输的基础上，在TR预滤波器前设置一个所有天线共享的预均衡器。ETR系统中的TR预滤波器一般采用常规匹配预滤波器，根据各发送天线对应的CIR就可得到。而其预均衡器根据要求可采用不同方案进行设计，如ISI迫零准则、最小均方误差准则等。文献[Viteri-Mera C A,Teixeira FL.Equalized time reversal beamforming for frequency-selective indoor misochannels[J].IEEE Access,2017,5:3944-3957.]和[Nguyen H,Zhao Z,Zheng F,etal.Preequalizer design for spatial multiplexing SIMO-UWB TR systems[J].IEEETransactions on Vehicular Technology,2010,59(8):3798-3805.]分别研究了ETR-MISO系统中，采用迫零准则和最小均方误差准则的预均衡器的设计问题。在多天线物理层安全传输系统中，采用TR传输可进一步提高安全传输性能。如果能以安全传输性能为目标对各TR预滤波器进行优化，则还能更明显地提高安全性能。但由于安全传输性能与合法信道和窃听信道都有关，TR预滤波器的优化需要同时考虑合法接收者和窃听者的接收情况，多天线下多个TR预滤波器的联合优化复杂度非常高。而若采用ETR方式，则可仅对一个预均衡器进行优化即可，复杂度大大降低。虽然性能会有所降低，但仍能获得比采用常规TR预滤波器时更优越的性能。
发明内容
本发明的目的在于给出一种多天线预均衡时间反转安全传输系统中，在已知窃听信道状态信息(Channel State Information，CSI)的情况下，增加物理层安全性能的预均衡器的设计，该方法根据信道状态信息的设计预均衡器，实现保密和速率的最大化。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：在常规多天线时间反转(TimeReversal，TR)传输系统的基础上，增加一个所有发送天线共用的预均衡器，并针对存在窃听者的环境，构造以最大化系统可达保密速率为目标的优化问题，对优化问题进行转化，然后利用转换后优化问题的KKT一阶必要条件把优化问题转变为寻找矩阵最大特征值和最大特征向量的问题，运用迭代算法求得预均衡器。
具体步骤如下：
(1)对信号的传输过程进行分析，构建通信系统模型：在常规多天线时间反转传输系统的基础上，发送端发送信息给合法接收端，存在着一个窃听端，发送配置多根天线，每根天线有一个TR预滤波器，在所有发送天线前设置一个共用的预均衡器。TR预滤波器为常规匹配预滤波器。
(2)以可达保密速率最大化为优化目标，构造在功率增益归一化约束条件下的预均衡器的优化数学模型。
(3)将优化问题转换为矩阵最大特征值求解问题。
(4)利用迭代算法求解矩阵的最大特征值问题，获得预均衡器的抽头系数。
本发明在对预均衡器进行设计的过程中，将TR预滤波器设为常规匹配滤波的形式，根据合法信道和窃听信道的CSI设计预均衡器。由于只优化设计预均衡器，本发明的优化复杂度低于对每根天线上的TR预滤波器进行联合优化设计的优化方案。并且仿真实验表明，本发明的保密性能明显优于常规TR传输方案。本发明在较低优化复杂度下，提升了系统的保密安全性能。
附图说明
图1为本发明的通信系统模型；
图2是在不同发射天线数目下系统的可达保密速率、合法信道容量和窃听信道容量；
图3采样因子对系统的影响；
图4采样因子对合法端接收端SINR的影响。
具体实施方式
考虑ETR-MISO传输系统，其中存在一个窃听者，假设窃听者也是系统中的用户，因此发送端可以获得窃听信道的CSI，系统模型如图1所示。发送端Alice配置N根天线，合法接收端Bob和窃听端Eve配置单根天线。信道为频率选择性衰落信道，发送端第i根天线到合法接收端的信道脉冲响应表示为hB,i[l]，到窃听端的信道脉冲响应表示为hE,i[l]，i＝1,…,N，l表示信道脉冲响应的第l个抽头。为了表述方便，本发明假设发送端到合法接收端和窃听端的信道脉冲响应的长度都为L。TR预滤波器采用常规的匹配滤波器，将合法信道脉冲响应的时间反转共轭作为其抽头系数，即第i根天线的预滤波器的脉冲响应为
Figure BDA0002604079410000041
表示hB,i[L-1-l]的共轭。用gpre[l]，l＝0,…,2L-2表示与TR预滤波器级联的预均衡器的抽头系数，抽头数为2L-1。信道和预滤波器的脉冲响应可用矢量形式表示为
hB,i＝[hB,i[0],hB,i[1],…,hB,i[L-1]]T
hE,i＝[hE,i[0],hE,i[1],…,hE,i[L-1]]T
Figure BDA0002604079410000042
gpre＝[gpre[0],gpre[1],…,gpre[2L-2]]T
发送端的发送符号序列记为
Figure BDA0002604079410000043
M为符号长度，发送功率为Ps。对X[n]进行上采样，目的是降低ISI，上采样因子为D，为采样率和波特率的比值。
经过上采样后的样值序列为
Figure BDA0002604079410000044
上式中，k为正整数。x[n]经过预均衡器和TR预滤波器后由天线发送出去。合法接收端Bob接收到的信号为
Figure BDA0002604079410000045
其中zB[n]是复高斯信道噪声，
Figure BDA0002604079410000046
表示卷积。令
Figure BDA0002604079410000047
则上式可改写为
Figure BDA0002604079410000048
包括预均衡器、TR预滤波器和信道在内的等效信道脉冲响应的长度为4L-3，等效信道的延迟量为2L-2个采样周期，也就是符号发送后经过2L-2个采样周期在接收端出现对应符号的峰值。在合法接收端收到信号后进行下采样，下采样间隔为D。符号的采样序列可以表示为
Figure BDA0002604079410000049
上式中第2行的第一部分为期望接收信号，第二部分为ISI，第三部分为复高斯信道噪声，方差为
Figure BDA00026040794100000410
定义(4L-3)×(2L-1)的Toeplitz矩阵
Figure BDA0002604079410000051
Figure BDA0002604079410000052
进一步定义等效信道矩阵
Figure BDA0002604079410000053
其中
Figure BDA0002604079410000054
是(2qL-1)×(2qL-1)的单位矩阵的第(2qL-1)列，e2L-1+lD是(4L-3)×(4L-3)的单位矩阵的第2L-1+lD列。用
Figure BDA0002604079410000055
分别表示
Figure BDA0002604079410000056
的第qL、qL+l行的转置，
Figure BDA0002604079410000057
则可将接受信号的采用序列用矢量形式表示为
Figure BDA0002604079410000058
合法接收端的SINR为
Figure BDA0002604079410000059
其中
Figure BDA00026040794100000510
(X)H表示矩阵或向量X的共轭转置。
对于窃听端，定义(4L-3)×(2L-1)维的Toeplitz矩阵
Figure BDA00026040794100000511
Figure BDA00026040794100000512
其中
Figure BDA00026040794100000513
再定义
Figure BDA00026040794100000514
并用
Figure BDA00026040794100000515
表示
Figure BDA00026040794100000516
的第qL行的转置。通过与合法接收端类似的分析，可得到窃听端接收信号的SINR为
Figure BDA0002604079410000061
其中
Figure BDA0002604079410000062
是窃听信道的复高斯噪声的方差。Ps为发送功率。
可达保密速率是评价系统安全性能常用的指标，本发明以最大化系统可达保密速率为目标对预均衡器进行优化。当系统的带宽为B、上采样因子为D时，可达保密速率为
Figure BDA0002604079410000063
其中[x]+表示取0和x两者中的最大值。
预均衡器的优化过程中，为保证发送功率不变，预均衡器和TR预滤波器的级联系统的功率增益应归一化，即
Figure BDA0002604079410000064
其中Hi为(3L-2)×(2L-1)的Toeplitz矩阵：
Figure BDA0002604079410000065
然后令
Figure BDA0002604079410000066
可得
Figure BDA0002604079410000067
由于信道CIR不会出现为零的情况，观察矩阵Hi的形式，易知A为共轭对称正定矩阵。
在预处理滤波器的功率增益为1的约束下，最大化系统保密速率的优化问题就可表示为
Figure BDA0002604079410000068
Figure BDA0002604079410000069
将合法接收端和窃听端的SINR的表达式代入到系统保密速率中，并进行简单的处理可得Rs的表达式为
Figure BDA0002604079410000071
对优化问题进行转换，由于A为共轭对称正定矩阵，可将其分解为
Figure BDA0002604079410000072
对其进行特征值分解可得到A＝UHΣU，其中U为A的特征向量矩阵，Σ＝diag(λ1,λ2,...,λi,...,λ2L-1)，λi是A的特征值，均为正实数。将Σ用
Figure BDA0002604079410000073
表示，其中
Figure BDA0002604079410000074
可得
Figure BDA0002604079410000075
其中
Figure BDA0002604079410000076
将
Figure BDA0002604079410000077
代入到优化问题，并记
Figure BDA0002604079410000078
有
Figure BDA0002604079410000079
进一步将约束和优化目标Rs的表达式改写为
Figure BDA00026040794100000710
Figure BDA00026040794100000711
因为log2x是单调递增函数，log2x的最大化与x的最大化等价，同时B、D为正常数，可从优化问题中去掉，因此优化目标函数可化简为
Figure BDA00026040794100000712
令
Figure BDA00026040794100000713
Figure BDA00026040794100000714
进一步将上式简记为
Figure BDA00026040794100000715
优化问题改写为
Figure BDA00026040794100000716
Figure BDA00026040794100000717
上述优化问题的局部最优解
Figure BDA0002604079410000081
满足的一阶Karush-Kuhn-Tucher(KKT)必要条件为
Figure BDA0002604079410000082
即
Figure BDA0002604079410000083
令
Figure BDA0002604079410000084
Figure BDA0002604079410000085
一阶KKT必要条件就改写为
Figure BDA0002604079410000086
如将上式看成特征值和特征向量的关系式，则
Figure BDA0002604079410000087
就是矩阵Q-1V的特征向量，
Figure BDA0002604079410000088
就是矩阵Q-1V对应特征向量
Figure BDA0002604079410000089
的特征值。因此，使目标函数
Figure BDA00026040794100000810
最大的解
Figure BDA00026040794100000811
就是矩阵Q-1V的最大特征值对应的特征向量。但是矩阵Q和V中包含有待求的
Figure BDA00026040794100000812
所以不能用一般的特征值分解的方法求解。可采用迭代算法进行求解。首先为
Figure BDA00026040794100000813
赋一个初始值
Figure BDA00026040794100000814
通过这个初始值得到Q和V，再对Q-1V进行特征值分解，得到其最大的特征值λ(1)和对应的归一化特征向量
Figure BDA00026040794100000815
然后用
Figure BDA00026040794100000816
替换
Figure BDA00026040794100000817
得到新的Q和V，对Q-1V进行特征值分解得到λ(2)和
Figure BDA00026040794100000818
重复上述过程，直到连续两次迭代得到的特征值的相对差值小于预先设定的值或者达到预定的迭代次数为止。得到
Figure BDA00026040794100000819
后，代入
Figure BDA00026040794100000820
就可求得优化后的预均衡器的冲激响应
Figure BDA00026040794100000821
具体的迭代算法如表1所示，其中ε为控制迭代结束的特征值的相对差值。
表1迭代算法
Figure BDA00026040794100000822
下面将结合附图，对本发明做进一步的详细描述。除非特别指明，仿真中的参数设置如下：仿真中，信道为瑞利衰落信道，信道可分辨路径数L＝10，信道带宽B＝1MHz，信道脉冲响应系数服从均值为零的复高斯随机分布。窃听信道和合法信道的方差分别为
Figure BDA0002604079410000091
其中σT＝10/B为路径的均方根延迟，Ts＝1/B为采样周期，下标i是天线序号。ηE＝η0(dE/d0)-c、ηB＝η0(dB/d0)-c分别为窃听信道和合法信道的大尺度衰落系数。其中，c＝4为路径损耗指数，η0为参考距离处的传输损耗，d0＝10m为参考距离，dE和dB分别为发送端与窃听端和合法端的距离。设定η0＝10-5，窃听信道和合法信道的噪声功率设为1×10-11W。求解最大特征值的迭代算法中最大迭代次数设为50，ε＝1×10-5。
图2是在不同发射天线数目下系统可达保密速率、合法信道容量和窃听信道容量的仿真结果，上采样因子D＝1，合法接收端和窃听端与发送端的距离都是100米。同时给出未使用预均衡器的常规TR和直接传输的仿真结果。常规TR系统中没有预均衡器，TR预滤波器的脉冲响应为信道CIR的共轭反转，即
Figure BDA0002604079410000092
直接传输是指发送端根据多径信道的第1径对发送信号进行最大比传输处理，多天线上的发送信号为
Figure BDA0002604079410000093
其中
Figure BDA0002604079410000094
而合法接收端和窃听端可完美消除ISI，将第1径传输的信号作为接收信号。从图2(a)中可以看出，在较低发送功率时，针对保密速率优化的ETR传输和常规TR传输的保密速率都比直接传输高，其中ETR最高，且随发送功率的增加而增加。在高功率时常规TR传输和直接传输的保密速率很接近，ETR传输的保密速率仍然是最高的。ETR和TR都利用了信道的多径，经过多径传输的能量能聚集在合法接收端，而直接传输只利用了多径中的一经，因此ETR和TR传输系统合法接收端的接收信号功率高于直接传输。在发送功率较低时，ISI功率相对于噪声功率较小，ETR和TR传输系统合法接收端的SINR能随发送功率的增加而增加，信道容量也相应增加。随着发送功率的增加，ISI功率同步增加，ISI功率在干扰噪声总功率中的比重越来越大，合法接收端SINR随发送功率增加的速率越来越低，最终达到一个上限，相应ETR和TR传输系统中合法信道容量的增速也逐渐降低，最终趋近于一个定值。ETR方案中，TR预滤波器前还有一个预均衡器，相当于针对所有发送天线对应的信道又进行了一次联合处理，能获得更好的传输性能，因此能获得比常规TR更高的信道容量，容量的上限也更高。对于直接传输方式，仿真中假设在合法接收端和窃听端都能完美地消除掉ISI，因此合法信道容量和窃听信道容量都能随发送功率的增加而持续增加。由于TR传输的空间聚焦特性，TR和ETR传输中窃听端的信号功率明显低于合法接收端，因此窃听信道容量明显低于合法信道容量，并且随着发送功率增加的速度很低，并很快趋于一个定值。最终反映在保密传输特性能上看，ETR传输的保密速率明显高于常规TR和直接传输，而常规TR在低发送功率时的保密速率要优于直接传输，说明针对保密速率进行预均衡优化效果明显。而高发送功率时直接传输的保密速率与常规TR相近，这是由于仿真中假设直接传输时接收端完美消除ISI。由于ETR、常规TR和直接传输三种方式都针对合法信道对经过多个天线发送的信号进行了预处理，因此发送天线数目增加可明显提高合法信道传输质量，提高合法信道容量。对于窃听端而言，各个发送天线发送的信号到达其接收天线时相位随机，在发送总功率不变的情况下，天线数增多并不能提高接收信号SINR，因此窃听信道容量不随发送天线数的增加而增加。最终反映在保密速率能随发送天线增加而明显提高，说明增加发送天线数能明显改善物理层安全性能。
图3是不同上采样因子下，ETR和TR传输系统保密速率、窃听信道容量、合法信道容量随发送功率变化的仿真结果，图4是不同上采样因子下合法端SINR平均值随发送功率变化的仿真结果。仿真中，发送天线数N＝2。观察图4合法接收端SINR的仿真结果，ETR和TR系统的SINR随D的增大而增大，说明通过增大上采样因子可减少ISI。ETR系统的SINR要高于TR系统，说明通过预均衡器处理后ISI有了明显的下降。D＝1时，ETR系统SINR的增长速率随着发送功率的增加逐渐降低，SINR很快达到上限，说明ISI较为严重。而D＝2和3时，在仿真的功率范围内，SINR能随着发送功率的增加而同步增加，说明ISI得到了很好的抑制。D＝3时SINR增长的速度比D＝2时稍快，但差距很小。D增加，SINR增加，每个符号上传输的信息量增加，但在相同带宽下符号速率减小，因此D增加时合法信道容量不一定增加。对于TR系统，D增加后ISI的减小不能弥补符号速率下降带来的损失，所以信道容量反而减小。对于ETR系统，D增加后ISI的减小较为明显，SINR能随发送功率增加而以较快的速度增长。因此D＝2和3时合法信道容量能随发送功率的增长而较快增长，虽然在低功率时低于D＝1时，但在高功率时更高，且发送功率越大，优势越明显。D＝3时，虽然SINR更高，但由于符号速率下降过多，合法信道容量反而不如当D＝2时的系统。对于窃听端，D的增加同样能在一定程度降低ISI，提高SINR，但由于符号速率降低，窃听信道容量并不会相应增加。最终反映在保密速率上，ETR系统在D增加时，保密速率在发送功率增加时的增长速度会相应的增加，在D＝2和3时，在仿真的功率范围内没有出现饱和的情况，D＝2时更高。而D＝1时的ETR系统，以及TR系统都存在保密速率的上限。仿真结果说明本文通过优化预均衡器后明显降低了合法接收端ISI，从而能获得更好的物理层安全传输性能，同时也应合理地选择上采样因子。

Claims (2)

1.一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建通信系统模型：在常规多天线时间反转传输系统的基础上，每根天线有一个TR预滤波器，在所有发送天线前设置一个共用的预均衡器；对合法接收端和窃听端的信干噪比，系统可达保密速率进行建模，具体如下：
合法接收端和窃听端的信干噪比分别为：
Figure FDA0003686317740000011
Figure FDA0003686317740000012
式中，B、E分别表示合法接收端和窃听端；Ps为发送功率；gpre为预均衡器抽头系数的矢量形式；
Figure FDA0003686317740000013
分别为合法信道和窃听信道的噪声方差；定义由TR预滤波器分别与合法信道和窃听信道组成的等效信道响应的Toeplitz矩阵
Figure FDA0003686317740000014
和
Figure FDA0003686317740000015
和
Figure FDA0003686317740000016
分别表示为
Figure FDA0003686317740000017
其中L为信道多径数目，
Figure FDA0003686317740000018
gi[n]、hB,i[n]和hE,i[n]分别表示第i根天线上TR预滤波器的脉冲响应，第i根天线到合法接收端和第i根天线到窃听端的信道脉冲响应，N为发送天线数目；对
Figure FDA0003686317740000019
和
Figure FDA00036863177400000110
进行抽样得到矩阵
Figure FDA00036863177400000111
和
Figure FDA00036863177400000112
合法接收端SINR和窃听端SINR的表达式中
Figure FDA00036863177400000113
Figure FDA0003686317740000021
和
Figure FDA0003686317740000022
分别表示
Figure FDA0003686317740000023
和
Figure FDA0003686317740000024
的第qL行；上标H表示矩阵的转置；
系统可达保密速率为
Figure FDA0003686317740000025
式中，B表示系统带宽，D表示上采样因子，[x]+表示取0和x两者中的最大值；
(2)以可达保密速率最大化为优化目标，构造在功率增益归一化约束条件下的预均衡器的优化数学模型，以预均衡器和TR预滤波器的级联系统的功率增益归一化为约束条件，以可达保密速率为优化目标；具体为：
预均衡器和TR预滤波器的级联系统的功率增益归一化为
Figure FDA0003686317740000026
式中
Figure FDA0003686317740000027
Hi是由TR预滤波器gi得到的Toeplitz矩阵,即
Figure FDA0003686317740000028
优化问题构造为
Figure FDA0003686317740000029
Figure FDA00036863177400000210
(3)将优化问题转换为矩阵最大特征值求解问题，具体包括：优化问题中的约束条件转换和优化目标转换，然后利用KKT一阶条件，将问题的求解转换为寻找矩阵的最大特征值；优化问题中的约束可转换为
Figure FDA00036863177400000211
式中，
Figure FDA00036863177400000212
而
Figure FDA00036863177400000213
Figure FDA00036863177400000214
由原始优化问题中约束条件里的A得到；
优化目标转换为
Figure FDA00036863177400000215
式中
Figure FDA00036863177400000216
Figure FDA00036863177400000217
其中
Figure FDA0003686317740000031
I(2L-1)×(2L-1)表示(2L-1)×(2L-1)维的单位矩阵；
进而优化问题就转换为
Figure FDA0003686317740000032
Figure FDA0003686317740000033
该优化问题的一阶KKT必要条件为
Figure FDA0003686317740000034
改写为
Figure FDA0003686317740000035
式中
Figure FDA0003686317740000036
Figure FDA0003686317740000037
改写后的一阶KKT必要条件可以看成特征值和特征向量的关系式，
Figure FDA0003686317740000038
就是矩阵Q- 1V对应特征向量
Figure FDA0003686317740000039
的特征值，使目标函数
Figure FDA00036863177400000310
最大的解
Figure FDA00036863177400000311
就是矩阵Q-1V的最大特征值对应的特征向量；
(4)利用迭代算法求解矩阵的最大特征值问题，获得预均衡器的抽头系数，迭代算法具体为：为
Figure FDA00036863177400000312
赋一个初始值
Figure FDA00036863177400000313
通过这个初始值得到Q和V，再对Q-1V进行特征值分解，得到其最大的特征值λ(1)和对应的归一化特征向量
Figure FDA00036863177400000314
然后用
Figure FDA00036863177400000315
替换
Figure FDA00036863177400000316
得到新的Q和V，对Q-1V进行特征值分解得到λ(2)和
Figure FDA00036863177400000317
重复上述过程，直到连续两次迭代得到的特征值的相对差值小于预先设定的值或者达到预定的迭代次数为止；得到
Figure FDA00036863177400000318
后，代入
Figure FDA00036863177400000319
就可求得优化后的预均衡器的冲激响应
Figure FDA00036863177400000320
2.根据权利要求1所述一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法，其特征在于：所述TR预滤波器为常规匹配预滤波器。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113613268B (zh) * 2021-06-29 2023-07-21 重庆邮电大学 下行时间反转非正交多址接入系统的设计与优化方法
CN114337751B (zh) * 2021-12-07 2023-11-21 江苏华鹏智能仪表科技股份有限公司 一种时间反转ofdm多用户通信系统的功率分配方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007068737A2 (de) * 2005-12-16 2007-06-21 Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Institut Für Innovative Mikroelektronik Verfahren und vorrichtung für eine adaptive entzerrung von mehrwegekanälen
KR20080029178A (ko) * 2006-09-28 2008-04-03 삼성전자주식회사 시간 반전 시공간 블록 부호화 시스템을 위한 블록 시간영역 이퀄라이저
CN101309242A (zh) * 2008-06-03 2008-11-19 电子科技大学 全通均衡的时间反演超宽带无线通信系统
WO2010026464A1 (en) * 2008-09-04 2010-03-11 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Channel estimation and equalization for hard-limited signals
CN108449293A (zh) * 2018-03-22 2018-08-24 重庆邮电大学 基于simo-uwb系统的空间复用tr均衡器设计
CN109194378A (zh) * 2018-08-06 2019-01-11 重庆邮电大学 基于线性神经网络的物理层安全波束赋形方法
CN110247865A (zh) * 2019-06-03 2019-09-17 重庆邮电大学 时间反转多用户安全传输系统中预处理滤波器的优化方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9966991B2 (en) * 2015-07-28 2018-05-08 John David Terry Method and apparatus for secure network access and group membership in a digital chaos cooperative network

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007068737A2 (de) * 2005-12-16 2007-06-21 Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Institut Für Innovative Mikroelektronik Verfahren und vorrichtung für eine adaptive entzerrung von mehrwegekanälen
KR20080029178A (ko) * 2006-09-28 2008-04-03 삼성전자주식회사 시간 반전 시공간 블록 부호화 시스템을 위한 블록 시간영역 이퀄라이저
CN101309242A (zh) * 2008-06-03 2008-11-19 电子科技大学 全通均衡的时间反演超宽带无线通信系统
WO2010026464A1 (en) * 2008-09-04 2010-03-11 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Channel estimation and equalization for hard-limited signals
CN108449293A (zh) * 2018-03-22 2018-08-24 重庆邮电大学 基于simo-uwb系统的空间复用tr均衡器设计
CN109194378A (zh) * 2018-08-06 2019-01-11 重庆邮电大学 基于线性神经网络的物理层安全波束赋形方法
CN110247865A (zh) * 2019-06-03 2019-09-17 重庆邮电大学 时间反转多用户安全传输系统中预处理滤波器的优化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MIMO全双工双向通信系统平均保密和速率的优化;雷维嘉 等;《电子学报》;20200615;第48卷(第6期);第1041-1051页 *
基于预均衡的被动时间反转水声通信;宫改云 等;《杭州电子科技大学学报》;20110215;第31卷(第1期);第66-69页 *

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