CN112601286A - 一种基于信道估计误差的用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道估计误差的用户调度方法，旨在解决现有技术中用户调度代价较大、效果有限的技术问题。其包括：获取主信道统计衰落系数和信道估计误差；根据主信道统计衰落系数和信道估计误差进行用户预编码；根据预编码向量计算用户与基站之间的主信道容量；基于主信道容量最大化准则选择主信道用户，并随机选择一个干扰用户；利用主信道用户和干扰用户发送信息，完成用户调度。本发明能够准确选择用户进行信息传输，以较小的代价实现安全容量最大化，有效优化无线传输的安全性能。

Description

一种基于信道估计误差的用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于信道估计误差的用户调度方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着人们对信息的无线传输信号质量的要求越来越高，无线通信系统的安全性成为备受关注的热点。合法用户的通信质量主要从两方面描述：可靠性和不可知性；具体而言，一是确保合法用户接收的信息不被影响，二是不能让窃听者获取所传信息。根据以上需求，产生了安全容量的定义，其为主信道容量与窃听信道容量的差值。

多天线通信系统可以通过空间分集提高信号质量，配备多根天线的基站与单天线用户通信也属于多天线系统。多天线通信系统中有代表性的两种关键技术是波束成形和天线选择，其中，波束成形是通过设计预编码向量来同时使用多个天线，这种技术虽然增加了系统复杂性，但通常比天线选择技术的效果更好。

为了提高多天线通信系统的安全容量，需要研究通信用户的调度方案，目前用户调度主要是依据窃听信道容量最小化来选择发送干扰用户，以降低窃听概率，但是这种方法是基于窃听信道状态已知的情况进行的，在实际操作中，窃听信道状态信息往往多变且难以掌握，根据窃听信道状态调度用户代价较大，且效果不一定好。此外，信道估计误差是影响系统性能的重要因素，现有的用户调度方案中大多忽略了信道估计误差的影响，没能考虑通信系统的实际情况，调度结果可能产生较大偏差。

发明内容

为了解决现有技术中用户调度代价较大、效果有限的问题，本发明提出了一种基于信道估计误差的用户调度方法，在充分考虑信道估计误差的前提下，基于主信道容量最大化准则选择主信道用户，本发明不需要知道窃听信道状态信息，能够以较小的代价通过用户间的合作最大化安全容量。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

本发明提出了一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于多天线通信系统，获取用户与基站间的主信道统计衰落系数和信道估计误差；

根据主信道统计衰落系数和信道估计误差进行用户预编码，获得预编码向量；

根据预编码向量计算接收信噪比，并根据接收信噪比获得用户与基站之间的主信道容量；

基于主信道容量最大化准则选择主信道用户，并随机选择一个干扰用户；

在同一时刻分别利用主信道用户和干扰用户在主信道和干扰信道发送信息，完成用户调度。

进一步的，所述多天线通信系统包括一个具有L根接收天线的基站、N个单天线用户和一个单天线窃听节点。

进一步的，用户预编码的操作如下：

设第i个用户节点的预编码向量为w_i＝[w_i1,w_i2,…,w_il,…,w_iL]^T，其中，w_il表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间信号的权值向量，i＝1,2,…,N，l＝1,2,...,L；

根据主信道统计衰落系数和信道估计误差获得w_il的表达式，具体如下：

其中，γ_S表示发送信噪比，

表示信道统计状态矩阵，

表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间的主信道统计衰落系数，

表示信道估计误差的方差，()^H表示共轭转置，U_max()表示矩阵

最大特征值的特征向量。

进一步的，所述接收信噪比的计算公式具体如下：

其中，SNR_i表示第i个用户节点的接收信噪比，P_S表示多天线通信系统中用户发送信息的总功率，E()表示统计平均运算，

表示信道估计误差矩阵，

表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间的信道估计误差，N₀表示主信道的加性高斯白噪声的方差。

进一步的，所述主信道容量的计算公式具体如下：

C_im＝log₂(1+SNR_i) (3)

其中，C_im表示第i个用户节点与基站之间的主信道容量。

进一步的，所述主信道用户和干扰用户的选择方法如下：

获取多天线通信系统的用户集合M＝{m₁,m₂,…,m_i,…,m_N}，其中，m_i表示多天线通信系统中的第i个用户，i＝1,2,…,N，N为多天线通信系统中的用户总数；

基于主信道容量最大化准则，从集合M中选取令主信道容量最大的用户作为主信道用户，公式如下：

其中，C_im表示第i个用户节点与基站之间的主信道容量，(m_i)表示令C_im最大的用户m_i为主信道用户；

从集合M中剔除主信道用户，获取干扰用户集M'＝{M-m_i}；

从干扰用户集M'中随机选择一个用户作为干扰用户。

采用以上技术手段后可以获得以下优势：

本发明提出了一种基于信道估计误差的用户调度方法，当通信系统的主信道和窃听信道存在估计误差时，根据信道误差估计和主信道容量最大化准则选择主信道用户进行信息传输，与现有技术相比，本发明更加符合实际信道由于导频与信息传输阶段相互分离带来的状态信息的不稳定性，此外，由于窃听端是无源的，所以窃听信道状态信息往往难以获取，而本发明不需要已知窃听信道状态信息，主信道状态信息也不必精确获得，只需信道估计误差可控，就能够准确选择用户进行信息传输，本发明获取信道状态信息带来的开销很小，能够以较小的代价实现安全容量最大化，有效优化无线传输的安全性能。

附图说明

图1为本发明一种基于信道估计误差的用户调度方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例中多天线通信系统的示意图。

图3为本发明实施例中信道估计误差的归一化功率与安全容量的关系图。

图4为本发明实施例中信道估计误差的归一化功率取0.1时安全容量与用户数量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明提出了一种基于信道估计误差的用户调度方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

基于多天线通信系统，获取用户与基站间的主信道统计衰落系数和信道估计误差；

根据主信道统计衰落系数和信道估计误差进行用户预编码，获得预编码向量；

根据预编码向量计算接收信噪比，并根据接收信噪比获得用户与基站之间的主信道容量；

基于主信道容量最大化准则选择主信道用户，并随机选择一个干扰用户；

在同一时刻分别利用主信道用户和干扰用户在主信道和干扰信道发送信息，完成用户调度。

本发明中的多天线通信系统包括一个具有L根接收天线的基站、N个单天线用户和一个单天线窃听节点，用户与基站间的无线环境称为主信道，窃听节点非法获取主信道信息的路径称为窃听信道。在多天线通信系统中，由于距离等影响主信道衰落的因素可以限制在一定的氛围内，所以本发明能够根据先前接入系统的用户的先验信息获取主信道统计衰落系数，此外，用户可以通过接收基站发送的导频进行信道估计，信道估计误差的大小已知，信道估计误差是一个均值为0、方差为

的高斯随机变量。

本发明实施例中，定义多天线通信系统中第i个用户与基站的第l根接收天线间的主信道统计衰落系数为

基于波束成形技术利用

形成信道统计状态矩阵

定义第i个用户与基站的第l根接收天线间的信道估计误差为

利用

形成信道估计误差矩阵

定义主信道的加性高斯白噪声为n_m，其均值为0、方差为N₀。由于

服从相互独立的瑞利分布，所以

的模平方

服从均值

为的指数分布。

根据上述定义，用户预编码的具体操作如下：

设第i个用户节点的预编码向量为w_i＝[w_i1,w_i2,…,w_il,…,w_iL]^T，其中，w_il表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间信号的权值向量，i＝1,2,…,N，l＝1,2,…,L。

构建预编码向量w_i与接收信噪比的关系式：

其中，SNR_i表示第i个用户的接收信噪比，P_S表示用户发送信息的总功率，即用户调度后主信道用户发送主信道信息和干扰用户发送伪随机人工噪声的总功率，E()表示统计平均运算，()^H表示共轭转置，γ_S表示发送信噪比，

表示信道估计误差的方差。

令

其中，A和B为共轭对称矩阵，且B为正定阵，I为单位矩阵，根据瑞利里兹法，令

将公式(5)转化为瑞利熵的一般形式：

基于接收信噪比最大化准则，利用公式(6)解得w_il的表达式，具体的，接收信噪比最大化准则为：

根据公式(7)可以解得w_il的表达式为：

其中，U_max()表示矩阵

最大特征值的特征向量。

根据预编码向量得到每个用户节点的接收信噪比SNR_i，然后根据接收信噪比获得用户与基站之间的主信道容量，计算公式具体如下：

C_im＝log₂(1+SNR_i) (9)

其中，C_im表示第i个用户节点与基站之间的主信道容量。

在存在窃听的系统中，想要提高安全容量，一般可以根据两个准则来选择用户，一个准则是窃听信道容量最小化准则，另一个准则是主信道容量最大化准则。现有技术中普遍使用的是第一个准则，但是考虑到窃听信道状态信息往往多变且难以掌握，而主信道状态统计量是已知的，所以本发明根据主信道容量最大化准则来选择用户，具体操作如下：

获取多天线通信系统的用户集合M＝{m₁,m₂,…,m_i,…,m_N}，其中，m_i表示多天线通信系统中的第i个用户。

基于主信道容量最大化准则，从集合M中选取令主信道容量最大的用户作为主信道用户，公式如下：

其中，(m_i)表示令C_im最大的用户m_i为主信道用户。

在确定了主信道用户后，从集合M中剔除主信道用户，获取干扰用户集M'＝{M-m_i}，然后从干扰用户集M'中随机选择一个用户作为干扰用户。

在进行信息传输时，本发明调度主信道用户在主信道中发送需要传输的信息，同时调度干扰用户在干扰信道中发送伪随机人工噪声以协助完成保密通信，由于干扰信息对基站已知、对窃听节点未知，所以基站可以消除干扰信息获取需要的真实信息，而窃听者会受到干扰影响，无法获取真实信息。

现有技术一般是在窃听信道状态已知的前提下，根据窃听信道容量最小化准则从集合M中选择通信系统的干扰用户，然后再从剩余用户中随机选择一个主信道用户，其干扰用户选择公式如下：

其中，C_ie表示窃听信道容量，(m_j)表示令C_ie最小的用户m_j为干扰用户。

设主信道用户为第i个用户m_i，干扰用户为第j个用户m_j，j＝1,2,…,N且j≠i，主信道用户发送的信号为x_i，干扰用户发送的干扰信号为x_j，则基站通过主信道接收到的信号y_m可以表示为：

其中，P_S表示主信道用户发送x_i、干扰用户发送x_j的总功率，n_m表示主信道的加性高斯白噪声，n_m的均值为0、方差为N₀，其等效到基站接收端输入。

窃听节点接收到的信号y_e可以表示为：

其中，

分别表示用户m_i、m_j与窃听者间窃听信道、协作干扰信道的统计衰落系数，

服从相互独立的瑞利分布，

分别服从均值为

的指数分布；

分别窃听信道相对于用户m_i、m_j的信道估计误差，

被视为一个均值为0、方差为

的高斯随机变量，

被视为一个均值为0、方差为

的高斯随机变量，n_e为窃听信道的加性高斯白噪声，等效到窃听节点输入。

在用户m_j发送干扰的协作下，窃听信道容量C_ie可以表示为：

根据通信系统安全容量的定义可知：

C_S＝C_im-C_ie (15)

其中，C_S表示安全容量。

下面通过具体的对比实验来验证本发明的效果：

对比实验1：

本发明实施例中的多天线通信系统如图2所示，其包括4个用户节点、1个基站和1个窃听节点，基站备有多根天线，而用户节点和窃听节点是单天线。4个用户在同一频段上向基站传输信息，窃听者通过窃听信道窃取所有用户在主信道中发送的消息，且任意一条上行链路或窃听链路视为相互独立的带估计误差的瑞利衰落信道，伴有均值为0、方差为N₀的高斯白噪声。本发明实施例的系统中各用户不能同时向基站发送信息，即同一时间只有一个用户通信，并假设只有一个用户发送友好干扰。

假设基站备有4根天线，发送信噪比γ_S的取值为20dB，

和

的均值为

由于参数为0均值的高斯变量的功率相当于其方差，所以本发明实施例定义窃听信道估计误差的归一化功率为：

本发明实施例还定义了信道估计误差相对于主信道增益的归一化功率为：主信道的信道估计误差功率和信道衰落系数功率的比值，即

且将其作为自变量，取值范围为0到1。

与安全容量C_S的关系如图3所示，其中，所提方案指本发明方法，其根据主信道容量最大化准则选择主信道用户，然后随机选择另一个干扰用户；传统方案指根据窃听信道容量最小化准则选择干扰用户，然后随机选择另一主信道用户；另外还有一个空白对照方案，其主信道用户和干扰用户都是随机选择的。从图3中可以看出，随着信道估计误差增大，三个方案的安全容量都在降低，但本发明的安全容量始终高于其他方案且相对于空白对照方案的提升明显多于传统方案，所以本发明方法更充分地考虑了信道误差的影响，最大化地减少了信道状态信息的不精确估计对信息传输安全性的降低，用户调度的效果最好。

对比实验2：

与对比实验1不同的是：多天线系统中单天线用户的数量是自变量N，主信道和窃听信道的估计误差归一化功率取：

图4是对比实验2中安全容量C_S与用户数量N的关系图，从图中可以看出，不同用户数量下，本发明方法的安全容量均比传统方案大，且随着用户数量的增大，本发明安全容量的上升速度明显高于传统方案。此外，根据不同调度方案的安全容量均有上升可知，可以通过增大用户数量使安全容量明显提高。

本发明适用于共用频段进行数据传输的系统中的用户调度情况，不需要已知窃听信道状态信息，主信道状态信息也不必精确获得，只需信道估计误差可控，就能够准确选择用户进行信息传输，相比于现有技术，因为本发明不需要获得窃听信道状态信息，所以用户调度的代价更小，而且在相同前提下，本发明可以更好的优化无线传输的安全性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于多天线通信系统，获取用户与基站间的主信道统计衰落系数和信道估计误差；

根据主信道统计衰落系数和信道估计误差进行用户预编码，获得预编码向量；

根据预编码向量计算接收信噪比，并根据接收信噪比获得用户与基站之间的主信道容量；

基于主信道容量最大化准则选择主信道用户，并随机选择一个干扰用户；

在同一时刻分别利用主信道用户和干扰用户在主信道和干扰信道发送信息，完成用户调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，所述多天线通信系统包括一个具有L根接收天线的基站、N个单天线用户和一个单天线窃听节点。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，用户预编码的操作如下：

设第i个用户节点的预编码向量为w_i＝[w_i1,w_i2,…,w_il,…,w_iL]^T，其中，w_il表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间信号的权值向量，i＝1,2,…,N，l＝1,2,…,L；

根据主信道统计衰落系数和信道估计误差获得w_il的表达式，具体如下：

其中，γ_S表示发送信噪比，

表示信道统计状态矩阵，

表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间的主信道统计衰落系数，

表示信道估计误差的方差，()^H表示共轭转置，U_max()表示矩阵

最大特征值的特征向量。

4.根据权利要求3所述的一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，所述接收信噪比的计算公式具体如下：

其中，SNR_i表示第i个用户节点的接收信噪比，P_S表示多天线通信系统中用户发送信息的总功率，E()表示统计平均运算，

表示信道估计误差矩阵，

表示第i个用户节点与基站的第l根接收天线间的信道估计误差，N₀表示主信道的加性高斯白噪声的方差。

5.根据权利要求4所述的一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，所述主信道容量的计算公式具体如下：

C_im＝log₂(1+SNR_i)

其中，C_im表示第i个用户节点与基站之间的主信道容量。

6.根据权利要求1所述的一种基于信道估计误差的用户调度方法，其特征在于，所述主信道用户和干扰用户的选择方法如下：

获取多天线通信系统的用户集合M＝{m₁,m₂,…,m_i,…,m_N}，其中，m_i表示多天线通信系统中的第i个用户，i＝1,2,...,N，N为多天线通信系统中的用户总数；

基于主信道容量最大化准则，从集合M中选取令主信道容量最大的用户作为主信道用户，公式如下：

其中，C_im表示第i个用户节点与基站之间的主信道容量，(m_i)表示令C_im最大的用户m_i为主信道用户；

从集合M中剔除主信道用户，获取干扰用户集M'＝{M-m_i}；

从干扰用户集M'中随机选择一个用户作为干扰用户。

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