CN112134603A - Mu-mimo系统安全传输发射信号合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的MU‑MIMO系统安全传输发射信号合成方法，属于无线通信技术领域，可显著提升MU‑MIMO系统安全性。本发明通过下述技术步骤：1.信道向量随机挑选：从所有用户中随机挑选对应的信道向量，构成新的矩阵；2.零空间矩阵计算：对矩阵进行奇异值分解，计算部分用户信道向量对应的零空间矩阵，得到零空间矩阵；3.人工噪声计算：以每个元素是零均值复高斯随机变量的向量及零空间矩阵，设计人工噪声向量；4.数据信号向量计算：计算功率归一化因子，得到数据信号的预编码矩阵和发射的数据信号向量；5.发射信号向量计算：计算最终的发射信号向量，完成发射信号合成。

Description

MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种人工噪声辅助的MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信系统所面临的安全形势也变得更加复杂化和多样化。由于无线信道的开放性，无线通信系统在信息传输过程中存在被窃听的安全性问题。近年来，通过物理层技术加强无线通信系统的安全性，在现代通信中得到了非常广泛的应用。多输入和多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术的广泛应用，使得无线通信速率迅速增长。如何防止窃听者获取用户的信息，同时使基站服务更多用户是物理层安全技术中的关键问题之一。
MIMO利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出系统(Single InputSingle Output，SISO)，MIMO此类多天线技术尚包含早期所谓的“智能型天线”，亦即单输入多输出系统(Single Input Multiple Output，SIMO)和多输入单输出系统(MultipleInput Single Output，MISO)。由于无线通信的广播特性，使得无线网络缺乏安全的物理边界，这样无线通信系统对潜在的窃听者来说是开放的。由于无线网络的开放特性,无线设备之间通信变得方便,更多的安全隐患也随之出现。无线信道的开放性和电磁信号传播的广播特性使无线通信系统对保密性以及安全性的需求变得日益突出。无线通信系统由于其传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性，传输的可靠性和安全性面临严峻的考验。依赖密钥体制的传统保密系统在计算机的高速发展下不再绝对安全。因此,安全性是无线系统中的一个重要问题。随着计算机处理能力逐渐提高,传统的密码学安全方法的缺陷也随之显现。大量IoT设备的出现，也给传统的密钥管理方法带来了巨大冲击。传统的无线通信安全往往通过在物理层之上的更高层直接采用加密和认证机制来实现。但是在各种高强度的破解算法和先进的窃听技术不断发展以后，一旦高层的安全机制被破解或者保密算法泄露，无线通信网络的安全将变得毫无保障。因此，通过物理层安全技术提升无线通信系统的安全性成为了最近的研究热点之一。
人工噪声辅助的安全传输方法是一种常用的物理层安全技术，该方法通过在发射信号中添加额外的人工噪声的方式保障系统安全。具体地说，通过对人工噪声进行设计，在避免干扰合法用户的同时，对窃听者形成干扰，降低窃听者的接收信噪比，增加窃听难度，提升系统安全性。在多用户(Multiuser,MU)MIMO系统中，传统的人工噪声辅助的安全传输方法设计方式为，对所有合法用户天线对应的信道矩阵求零空间矩阵，利用该零空间矩阵设计人工噪声。当且仅当发射天线数大于合法用户接收天线总数时，合法信道矩阵存在零空间矩阵，进而才能设计出合适的人工噪声向量。因此，传统人工噪声辅助的设计方法通常具有一个共同点：仅适用于发射天线数大于合法用户接收天线总数的系统。当MU-MIMO系统中的用户天线总数等于发射天线数时，现有的人工噪声辅助的物理层传输方法会导致传输系统无法正常使用。然而，在实际的MU-MIMO系统中，存在大量发射天线数等于合法用户接收天线总数的系统，且该类系统同样面临窃听风险。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中的问题，提供一种可适用于发射天线数等于所有用户接收天线总数的MU-MIMO系统，可在同时满足所有用户传输需求的基础上，显著提升MU-MIMO系统安全性的人工噪声辅助的MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案予以实现：一种MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.信道向量随机挑选：从所有K个用户中随机挑选Ns个用户对应的信道向量，构成这Ns个用户对应的信道向量矩阵Hs；
步骤2.零空间矩阵计算：对矩阵Hs进行奇异值分解，计算部分用户信道向量对应的零空间矩阵，得到可满足HsV0＝0的矩阵Hs的零空间矩阵V0；
步骤3.人工噪声计算：根据发射信号总功率P，数据信号与人工噪声之间的功率分配系数
Figure BDA0002754591940000021
获取人工噪声信号功率
Figure BDA0002754591940000022
以每个元素是零均值复高斯随机变量的向量z及矩阵V0的列数Nz，设计人工噪声向量xz＝V0z，利用零空间矩阵计算人工噪声，得到向量z每个元素的方差：
Figure BDA0002754591940000023
步骤4.数据信号向量计算：根据所有K个用户天线对应的信道矩阵HH、数据信号功率
Figure BDA0002754591940000024
计算功率归一化因子
Figure BDA0002754591940000025
得到数据信号的预编码矩阵：W＝αH(HHH)-1和发射的数据信号向量：xu＝Ws，其中向量s每个元素为幅度相位调制(Amplitude-PhaseModulation,APM)符号，元素平均功率为1，[·]H表示为对矩阵求共轭转置，[·]-1表示为对矩阵求逆，tr[·]表示为对矩阵求迹；
步骤5.发射信号向量计算：计算最终的发射信号向量：x＝xu+xz，完成发射信号合成。本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过每隔一定的时间随机挑选部分用户的信道向量，利用奇异值分解计算部分用户信道向量对应的零空间矩阵，设计人工噪声使其不泄漏至该部分用户(人工噪声可能泄漏至另外部分用户)的方式，使得人工噪声辅助的安全传输方法可适用于发射天线数等于所有用户接收天线总数的MU-MIMO系统，使得人工噪声对单个用户的影响远小于窃听者，可在同时满足所有用户传输需求的基础上显著提升系统安全性。
本发明根据发射信号总功率，数据信号与人工噪声之间的功率分配系数，所有用户的信道矩阵，利用迫零预编码方法，设计数据信号的预编码矩阵，有效消除了用户间干扰。
附图说明
图1是本发明MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法的系统模型示意图；其中，1,...,k,...,K表示用户编号，1,2,...,Na表示发射天线编号。
图2是图1的发射信号合成流程示意图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。本发明系统模型，包括一个发射者，K个合法用户，一个用于窃听某个用户的窃听者，其中发射者配置Na根发射天线，窃听者与合法用户皆配置单根天线。
参阅图2。采用如下步骤：
步骤1.信道向量随机挑选：从所有K个用户中随机挑选Ns个用户对应的信道向量，构成这Ns个用户对应的信道向量矩阵Hs；
步骤2.零空间矩阵计算：对矩阵Hs进行奇异值分解，计算部分用户信道向量对应的零空间矩阵，得到可满足HsV0＝0的矩阵Hs的零空间矩阵V0；
步骤3.人工噪声计算：根据发射信号总功率P，数据信号与人工噪声之间的功率分配系数
Figure BDA0002754591940000031
获取人工噪声信号功率
Figure BDA0002754591940000032
以每个元素是零均值复高斯随机变量的向量z及矩阵V0的列数Nz，设计人工噪声向量xz＝V0z，利用零空间矩阵计算人工噪声，得到向量z每个元素的方差：
Figure BDA0002754591940000033
步骤4.数据信号向量计算：根据所有K个用户天线对应的信道矩阵HH、数据信号功率
Figure BDA0002754591940000041
计算功率归一化因子
Figure BDA0002754591940000042
得到数据信号的预编码矩阵：W＝αH(HHH)-1和发射的数据信号向量：xu＝Ws，其中，向量s每个元素为幅度相位调制(Amplitude-PhaseModulation,APM)符号，元素平均功率为1，[·]H表示为对矩阵求共轭转置，[·]-1表示为对矩阵求逆，tr[·]表示为对矩阵求迹；
步骤5.发射信号向量计算：计算最终的发射信号向量：x＝xu+xz，完成发射信号合成。从所有K个用户中随机挑选的Ns个用户的天线总数小于发射天线数。
每隔时间ΔT重复以上5个步骤。
在可选的实施例中，以合法用户数K＝8，发射天线数Na＝8，发射信号总功率P＝8，功率分配系数
Figure BDA0002754591940000043
挑选的合法信道向量数Ns＝7，间隔时间ΔT为数据信号8倍符号周期为例，生成相应的发射信号。
本发明的范围并不局限于所描述的具体技术方案。对上述这些实施例的多种修改，对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本发明所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。任何对所描述的具体技术方案中的技术要素进行相同或等同替换获得的技术方案或本领域技术人员在所描述的具体技术方案的基础上不经过创造性劳动就可以获得的技术方案，都应当视为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.信道向量随机挑选：从所有K个用户中随机挑选Ns个用户对应的信道向量，构成这Ns个用户对应的信道向量矩阵Hs；
步骤2.零空间矩阵计算：对矩阵Hs进行奇异值分解，计算部分用户信道向量对应的零空间矩阵，得到可满足HsV0＝0的矩阵Hs的零空间矩阵V0；
步骤3.人工噪声计算：根据发射信号总功率P，数据信号与人工噪声之间的功率分配系数
Figure FDA0002754591930000011
获取人工噪声信号功率
Figure FDA0002754591930000012
以每个元素是零均值复高斯随机变量的向量z及矩阵V0的列数Nz，设计人工噪声向量xz＝V0z，利用零空间矩阵计算人工噪声，得到向量z每个元素的方差：
Figure FDA0002754591930000013
步骤4.数据信号向量计算：根据所有K个用户天线对应的信道矩阵HH、数据信号功率
Figure FDA0002754591930000014
计算功率归一化因子
Figure FDA0002754591930000015
得到数据信号的预编码矩阵：W＝αH(HHH)-1和发射的数据信号向量：xu＝Ws，其中向量s每个元素为幅度相位调制(Amplitude-PhaseModulation,APM)符号，元素平均功率为1，[·]H表示为对矩阵求共轭转置，[·]-1表示为对矩阵求逆，tr[·]表示为对矩阵求迹；
步骤5.发射信号向量计算：计算最终的发射信号向量：x＝xu+xz，完成发射信号合成。
2.如权利要求1所述的MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法，其特征在于：从所有K个用户中随机挑选的Ns个用户的天线总数小于发射天线数。
3.如权利要求1所述的MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法，其特征在于：系统模型，包括一个发射者，K个合法用户，一个用于窃听某个用户的窃听者，其中发射者配置Na根发射天线，窃听者与合法用户皆配置单根天线。
4.如权利要求1所述的MU-MIMO系统安全传输发射信号合成方法，其特征在于：以合法用户数K，发射天线数Na，发射信号总功率P，功率分配系数
Figure FDA0002754591930000016
挑选合法信道向量数Ns，间隔时间ΔT生成相应的发射信号。
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