CN113115305B - 一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法及系统 - Google Patents

一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法及系统 Download PDF

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CN113115305B CN202110310307.1A CN202110310307A CN113115305B CN 113115305 B CN113115305 B CN 113115305B CN 202110310307 A CN202110310307 A CN 202110310307A CN 113115305 B CN113115305 B CN 113115305B
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Abstract

本发明公开了一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法及系统；该方法包括：期望发射机和干扰发射机之间共享信道状态信息和数据信息；所述期望发射机根据信道状态信息和干扰数据信息构造提供免疫能力的虚数据；所述期望发射机根据所述提供免疫能力的虚数据对待发送的期望数据进行免疫编码，得到免疫编码信号；所述期望发射机发送免疫编码信号；所述期望发射机对应的期望接收机收到包含所述干扰信号和所述免疫编码信号的混合信号，并将所述该混合信号进行匹配滤波，所述期望接收机对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，以恢复出所述期望数据，所述干扰信号至少包括干扰数据信息。

Description

一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法及系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线通信系统中基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法及系统。
背景技术
无线信道具有广播性的特点，在无线信道中传播的信号会相互叠加，这些特性使得无线传输相比于有线传输方式，其完整性和保密性更容易遭受破坏。一方面，无线环境中的干扰会叠加在通信信号上，并作用于通信信号的期望接收机，从而影响接收机对期望数据的恢复，导致数据传输的完整性面临威胁。另一方面，由于无线信道的广播特性，在无线信号的覆盖范围内，窃听者可以对信号进行接收处理，从而破坏通信的保密性。针对上述威胁，现有的技术手段包括干扰管理、安全通信，以及将二者相结合的传输机制。
目前，业内常用的现有技术是这样的：现有技术一：基于干扰对齐(Interferencealignment,简称为IA)的无线通信方案，通过在干扰发射机处对待发送信号进行预处理，可以在期望接收机处将多个干扰映射到一个有限的子空间中，以使期望信号可以通过与干扰子空间正交的子空间传输而不会受到干扰的影响。现有技术二：基于分而治之的协作干扰(Cooperative Jamming,CJ)方案，信源将消息编码为多个编码块并依次发送，通过为每个编码块的传输设置一个干扰器，可以使窃听者丢失至少一个编码块，从而实现安全传输。现有技术三：采用干扰对齐(IA)消除干扰的影响，同时期望发射机发送人工噪声(ArtificialNoise,AN)，人工噪声(AN)破坏窃听者的窃听链路，从而增强了无线通信网络的保密性。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的干扰管理方法仍然将干扰作为影响通信的消极因素，忽略了通过某些手段将干扰加以利用的可能。现有的物理层安全传输方法仍然以牺牲发射功率和系统复杂度为代价进行保密通信。现有的干扰管理和物理层安全传输综合设计方法仍然是通过两个独立的操作分别应对干扰和窃听两个方面的威胁，而在实际的无线通信系统中，这两种威胁可能同时存在，因此，设计真正实现干扰管理和物理层安全传输的一体化设计方案具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于免疫编码(immunizingcoding,iCoding)的干扰管理和安全传输方法及系统。
本发明是这样实现的，一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法包括：所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法在期望发射机和干扰发射机之间共享信道状态信息和数据信息；所述期望发射机根据信道状态信息和干扰数据信息构造提供免疫能力的虚数据；所述期望发射机根据所述提供免疫能力的虚数据对待发送的期望数据进行免疫编码，得到免疫编码信号；所述期望发射机发送免疫编码信号；所述期望发射机对应的期望接收机收到包含所述干扰信号和所述免疫编码信号的混合信号，并将所述该混合信号进行匹配滤波，所述期望接收机对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然(Maximum Likelihood,ML)接收，以恢复出所述期望数据，所述干扰信号至少包括干扰数据信息。
本发明实施例提供一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，包括：
步骤一：期望发射机和干扰发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
步骤二：所述期望发射机根据信道状态信息和干扰数据信息构造提供免疫能力的虚数据；所述期望发射机根据所述提供免疫能力的虚数据对待发送的期望数据进行免疫编码，得到免疫编码信号；所述期望发射机发送免疫编码信号；
步骤三：所述期望发射机对应的期望接收机收到包含所述干扰信号和所述免疫编码信号的混合信号，并将所述该混合信号进行匹配滤波，所述期望接收机对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，以恢复出所述期望数据，所述干扰信号至少包括干扰数据信息。
进一步的，所述步骤二，包括：
步骤二：期望发射机Tx0利用所述信道状态信息和所述干扰数据信息，计算出所述提供免疫能力的虚数据xc，期望发射机Tx0利用所述提供免疫能力的虚数据xc对期望发射机Tx0的待发送期望数据x0进行免疫编码，构造出免疫编码数据
Figure BDA0002989336990000032
期望发射机Tx0采用预编码向量p0对所述免疫编码数据
Figure BDA0002989336990000031
进行预处理，得到免疫编码信号并进行发送；
所述步骤三，包括：
步骤三：期望接收机Rx0对收到的包含干扰期望数据x1的干扰和所述免疫编码信号的混合信号进行匹配滤波，期望接收机Rx0对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，以恢复出所述期望数据x0，所述干扰期望数据x1为干扰发射机Tx1向其对应的接收机Rx1发送的数据。
进一步的，所述步骤一包括：
(1)干扰发射机Tx1广播导频信号到接收机Rx1和期望接收机Rx0，期望发射机Tx0广播导频信号到Rx0，Rx1根据导频信号估计出Tx1到Rx1的信道状态信息H1，Rx0根据Tx1和Tx0广播的导频信号估计出Tx1到Rx0的干扰信道状态信息H10和Tx0到Rx0的期望信道状态信息H0，所述接收机Rx1为干扰发射机Tx1对应的接收机；
(2)Tx1对应的接收机Rx1使用第一反馈链路，将Tx1到Rx1的信道状态信息H1反馈给Tx1，Rx0使用第二反馈链路，将干扰信道状态信息H10和期望信道状态信息H0反馈给Rx0，Tx1向Tx0协作共享其信息，Tx0获知H1和x1。
进一步的，所述步骤二包括：
(1)Tx0对所述期望信道状态信息H0进行奇异值分解，得到H0＝U0Λ0V0 H，Tx1对Tx1到Rx1的信道状态信息H1进行奇异值分解，得到H1＝U1Λ1V1 H，Tx0设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000041
Rx0设计匹配滤波向量
Figure BDA0002989336990000042
Tx1设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000043
其中，
Figure BDA0002989336990000044
表示右奇异矩阵V0第一列向量，
Figure BDA0002989336990000045
表示左奇异矩阵U0的第一列向量，
Figure BDA0002989336990000046
表示右奇异矩阵V1第一列向量；
(2)Tx0根据所述包含干扰期望数据x1的干扰确定出所述提供免疫能力的虚数据
Figure BDA0002989336990000047
其中，
Figure BDA0002989336990000048
是所述期望信道状态信息H0的最大奇异值，
Figure BDA0002989336990000049
表示Tx1的发射功率，
Figure BDA00029893369900000410
表示Tx0的发射功率；
(3)根据所述期望数据x0和所述提供免疫能力的虚数据xc，Tx0构造iCoding数据
Figure BDA00029893369900000411
(4)Tx0采用预编码向量p0对所述iCoding数据
Figure BDA00029893369900000412
进行预编码，并向Rx0发送所述免疫编码后的免疫编码信号
Figure BDA0002989336990000051
进一步的，所述步骤三包括：
(1)Rx0采用滤波向量
Figure BDA0002989336990000052
对接收到的混合信号进行匹配滤波，所述混合信号至少包括Tx0和Tx1发送的信号，滤波后得到的来自Tx0和Tx1的估计信号分别为
Figure BDA0002989336990000053
和
Figure BDA0002989336990000054
(2)Rx0对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，从而正确恢复出所述期望数据x0。
进一步，所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法包括以下步骤：
步骤一：期望发射机Tx0和干扰发射机Tx1之间共享信道状态信息和数据信息；
步骤二：期望发射机Tx0根据共享的干扰发射机Tx1的信道状态信息和干扰数据信息构造提供免疫能力的虚数据xc，期望发射机Tx0利用提供免疫能力的虚数据xc对期望发射机Tx0的待发送期望数据x0进行免疫编码，构造出免疫编码(iCoding)数据
Figure BDA0002989336990000055
得到免疫编码信号并进行发送；
步骤三：期望发射机Tx0对应的期望接收机Rx0收到包含携带数据x1的所述干扰信号和所述免疫编码信号的混合信号，并对所述混合信号进行匹配滤波，期望接收机Rx0对混合信号滤波后的结果进行最大似然(ML)接收，从而正确恢复出期望数据x0。
进一步，所述步骤一包括：
(1)Rx0和Rx1分别估计发射机Tx0和Tx1与自己之间的信道状态信息并反馈给各自的关联发射机Tx0和Tx1：Tx1广播导频信号到Rx1和Rx0，同时Tx0广播导频信号到Rx0，Rx1根据导频信号估计出Tx1到Rx1的信道状态信息H1，Rx0根据Tx1和Tx0广播的导频信号估计出Tx1到Rx0的干扰信道状态信息H10和Tx0到Rx0的期望信道状态信息H0；
(2)Rx1使用第一反馈链路，将Tx1到Rx1的信道状态信息H1反馈给Tx1，Rx0使用第二反馈链路，将干扰信道状态信息H10和期望信道状态信息H0反馈给Rx0，Tx1向Tx0协作共享其信道状态信息H1和数据信息x1，Tx0获知H1和x1。
进一步，所述步骤二包括：
(1)Tx0对期望信道状态信息H0进行奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)，得到H0＝U0Λ0V0 H，Tx1对Tx1到Rx1的信道状态信息H1进行奇异值分解(SVD)，得到H1＝U1Λ1V1 H，Tx0设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000061
Rx0设计匹配滤波向量
Figure BDA0002989336990000062
Tx1设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000063
其中，
Figure BDA0002989336990000064
表示右奇异矩阵V0第一列向量，
Figure BDA0002989336990000065
表示左奇异矩阵U0的第一列向量，
Figure BDA0002989336990000066
表示右奇异矩阵V1第一列向量；
(2)Tx0根据携带数据x1的干扰计算提供免疫能力的虚数据
Figure BDA0002989336990000067
其中，
Figure BDA0002989336990000068
是期望信道状态信息H0的最大奇异值，
Figure BDA0002989336990000069
Figure BDA00029893369900000610
表示Tx1的发射功率，
Figure BDA00029893369900000611
表示Tx0的发射功率；
(3)根据期望数据x0和提供免疫能力的虚数据xc，Tx0构造免疫编码后的数据
Figure BDA00029893369900000612
(4)Tx0采用预编码向量p0对免疫编码后的数据
Figure BDA00029893369900000613
进行预处理，并向Rx0发送免疫编码后的信号
Figure BDA00029893369900000614
进一步，所述步骤三包括：
(1)Rx0采用滤波向量
Figure BDA00029893369900000615
对接收到的混合信号进行匹配滤波，混合信号至少包括Tx0和Tx1发送的信号，滤波后得到的来自Tx0和Tx1的估计信号分别为
Figure BDA0002989336990000071
和
Figure BDA0002989336990000072
(2)Rx0对混合信号滤波后的结果进行最大似然(ML)接收，从而正确恢复出期望数据x0。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的无线通信系统，包括执行上述任意一项所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：针对传统的干扰管理和物理层安全传输方法，本发明充分利用无线信道和干扰的随机性进行数据传输，在期望发射机处构造出一个免疫编码信号，该免疫编码信号与干扰之间相互作用，使得期望接收机对接收到的混合信号进行匹配滤波后，能够不受干扰影响地准确恢复出期望数据信息。同时，期望发射机发送的免疫编码数据与原始期望数据不相同，能够有效阻止窃听者获取期望数据信息，从而保证数据传输的保密性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的系统模型示意图；
图3是本发明实施例提供的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法实现示意图；
图4是本发明实施例提供的以16QAM为例，基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的原理示意图；
图5是本发明实施例提供的不同干扰管理方法的期望接收机频谱效率图；
图6是本发明实施例提供的期望接收机和窃听者的信道容量图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明解决上述现有技术问题的难度和意义包括：难度在于，如何充分挖掘并利用无线信道和干扰的随机特性；如何不以损失期望信号传输的功率为代价实现保密通信；如何设计一种真正综合实现干扰管理和物理层安全传输的机制。意义在于：无需额外的设备和发射功率损耗，无需在发射端构造并产生人工噪声，不会对通信范围内的其他用户造成干扰；在期望发射机处对原始期望数据进行免疫编码，该编码后的数据不同于原始期望数据，可以实现安全传输，同时，与信道中的干扰相互作用，在期望接收机处消除干扰对期望信号的影响。
本发明可用于在存在窃听者的无线通信中实现数据的安全传输，通过期望发射机对期望数据进行免疫编码，使得期望发射机实际发送的免疫编码后的数据与原始期望数据不同，保证数据传输的保密性，可用于解决无线通信中的安全传输问题。
本发明在期望发射机Tx0处发送携带免疫编码数据的免疫编码信号，而不再发送携带期望数据x0的期望信号，期望接收机Rx0经过匹配滤波后，通过最大似然(ML)接收可以无干扰的恢复出期望数据x0。
本发明充分利用干扰携带的数据信息x1，构造出提供免疫能力的虚数据xc，从而利用了干扰在期望接收机处消除干扰对期望信号的影响，提高了期望接收机Rx0的频谱效率。
本发明不仅适用于单期望信号单干扰的情况，还适用于多期望信号单干扰、单期望信号多干扰，以及多期望信号多干扰的更一般的情况。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的执行主体为基于免疫编码的干扰管理和安全传输系统，该方法包括以下步骤：
S101：期望发射机和干扰发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
S102：期望发射机根据信道状态信息和干扰携带的数据信息构造提供免疫能力的虚数据；期望发射机根据提供免疫能力的虚数据对待发送的期望数据进行免疫编码，期望发射机发送免疫编码信号；
S103：期望发射机对应的期望接收机收到包含干扰和免疫编码信号的混合信号，并对该混合信号进行匹配滤波，期望接收机对混合信号滤波后的结果进行最大似然(ML)接收，从而恢复出期望数据；
需要说明的是，本实施例中的期望发射机是指在与自身对应的接收机进行通信的时候，会受到具有窃听动机的其它设备窃听的发射机。
下面结合附图对本发明的应用原理做进一步的描述。
如图2所示，本发明的系统模型是由宏蜂窝和微微蜂窝构成的异构蜂窝网络的下行通信系统，系统中包括1个宏基站MBS1，1个微微基站PBS0，多个宏用户设备MUE1，多个微微用户设备PUE0，其中包括1个具有窃听动机的微微用户设备(窃听者)PUEe。由于微微蜂窝间的干扰可以通过运营商合理的部署或正交资源分配进行规避，并且在一个宏/微微蜂窝内，一个资源块仅分配给一个用户，基于此我们将系统模型简化为仅包含1个宏用户设备MUE1，1个期望微微用户设备PUE0的情况。宏基站MBS1、微微基站PBS0、宏用户设备MUE1、微微用户设备PUE0和窃听者PUEe配备的天线数分别为
Figure BDA0002989336990000101
和
Figure BDA0002989336990000102
微微基站PBS0发送免疫编码后的信号至期望微微用户PUE0处，宏基站MBS1发送到宏用户设备MUE1的期望信号会对期望微微用户设备PUE0产生干扰，微微基站PBS0工作在开放接入模式下。
本发明实施例中，微微基站PBS0，即作为期望发射机Tx0；宏基站MBS1，即作为干扰发射机Tx1；微微用户设备PUE0，即作为期望发射机Tx0对应的期望接收机Rx0；宏用户设备MUE1，即作为干扰发射机Tx1对应的接收机Rx1。
需要说明的是，图2所示的实施例场景是本发明实施例的适用场景之一，本发明实施例的适用场景不以此为限。
如图3所示，本发明实施例提供的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的应用效果如下：
步骤301：微微基站PBS0与宏基站MBS1之间实现信道状态信息和数据信息的共享；
具体的，
微微用户设备PUE0和宏用户设备MUE1分别估计基站与自己之间的信道状态信息并反馈给各自的关联基站微微基站PBS0与宏基站MBS1：宏基站MBS1广播导频信号到宏用户设备MUE1和微微用户设备PUE0，同时，微微基站PBS0广播导频信号到微微用户设备PUE0，宏用户设备MUE1根据导频信号估计出宏基站MBS1到宏用户设备MUE1的信道状态信息H1，微微用户设备PUE0根据宏基站MBS1和微微基站PBS0广播的导频信号估计出宏基站MBS1到微微用户设备PUE0的干扰信道状态信息H10和微微基站PBS0到微微用户设备PUE0的期望信道状态信息H0；
宏用户设备MUE1使用第一反馈链路，将宏基站MBS1到宏用户设备MUE1的信道状态信息H1反馈给宏基站MBS1，微微用户设备PUE0使用第二反馈链路，将干扰信道状态信息H10和期望信道状态信息H0反馈给微微基站PBS0，宏基站MBS1向微微基站PBS0协作共享其信道状态信息H1和数据信息x1，微微基站PBS0获知H1和x1。
步骤302：微微基站PBS0利用共享信息，计算出提供免疫能力的虚数据xc，微微基站PBS0利用提供免疫能力的虚数据xc对微微基站PBS0待发送期望数据x0进行免疫编码，构造出免疫编码(iCoding)数据
Figure BDA0002989336990000111
微微基站PBS0采用预编码向量p0对免疫编码数据
Figure BDA0002989336990000112
进行预处理，微微基站PBS0发送免疫编码信号
Figure BDA0002989336990000113
具体的，
微微基站PBS0对期望信道状态信息H0进行奇异值分解(SVD)，得到H0＝U0Λ0V0 H，宏基站MBS1对宏基站MBS1到宏用户设备MUE1的信道状态信息H1进行奇异值分解(SVD)，得到H1＝U1Λ1V1 H，微微基站PBS0设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000114
微微用户设备PUE0设计匹配滤波向量
Figure BDA0002989336990000115
宏基站MBS1设计预编码向量
Figure BDA0002989336990000116
其中，
Figure BDA0002989336990000117
表示右奇异矩阵V0第一列向量，
Figure BDA0002989336990000118
表示左奇异矩阵U0的第一列向量，
Figure BDA0002989336990000119
表示右奇异矩阵V1第一列向量，Λ0是一个对角阵，其主对角线的非零元素表示空间子信道的幅度增益；
微微基站PBS0根据携带数据x1的干扰计算提供免疫能力的虚数据
Figure BDA0002989336990000121
其中，
Figure BDA0002989336990000122
是期望信道状态信息H0的最大奇异值，
Figure BDA0002989336990000123
Figure BDA0002989336990000124
表示宏基站MBS1的发射功率，
Figure BDA0002989336990000125
表示微微基站PBS0的发射功率；
根据期望数据x0和提供免疫能力的虚数据xc，微微基站PBS0构造免疫编码数据
Figure BDA0002989336990000126
微微基站PBS0采用预编码向量p0对免疫编码数据
Figure BDA0002989336990000127
进行预编码，并向微微用户设备PUE0发送免疫编码信号
Figure BDA0002989336990000128
步骤303：宏基站MBS1向其对应的宏用户设备MUE1发送期望数据x1，宏基站MBS1发出的信号在微微用户设备PUE0处造成干扰，微微用户设备PUE0对收到的包含携带数据x1的干扰和免疫编码信号的混合信号进行匹配滤波，微微用户设备PUE0对混合信号滤波后的结果进行最大似然(ML)接收，从而正确恢复出期望数据x0；
在上述实施例的基础上，以宏基站MBS1和微微基站PBS0均采用16QAM调制为例，所述步骤303可以具体包括：
微微用户设备PUE0采用滤波向量
Figure BDA0002989336990000129
对接收到的混合信号进行匹配滤波，混合信号中至少包括微微基站PBS0和宏基站MBS1发送的信号，滤波后得到的来自微微基站PBS0和宏基站MBS1的估计信号分别为
Figure BDA00029893369900001210
和
Figure BDA00029893369900001211
提供免疫能力的信号分量
Figure BDA00029893369900001212
微微用户设备PUE0对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然(ML)接收，从而正确恢复出所述期望数据x0。
如图4所示，本发明实施例提供的以16QAM为例，基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的原理示意如下：
为了清楚给出本发明中各信号分量携带的数据之间的关系，在16QAM星座图中，定义算子
Figure BDA0002989336990000131
表征不同信号矢量携带的数据符号，例如，原始期望数据符号
Figure BDA0002989336990000132
提供免疫能力的虚数据符号
Figure BDA0002989336990000133
干扰携带的数据符号
Figure BDA0002989336990000134
免疫编码数据符号
Figure BDA0002989336990000135
滤波后得到的来自微微基站PBS0的免疫编码数据符号
Figure BDA0002989336990000136
为了简单表示，用星座图中的二维矢量表示信号携带的数据符号，每个矢量以原点为起点，终点对应于星座图中的位置点。
微微基站PBS0根据干扰携带的数据符号
Figure BDA0002989336990000137
计算得到提供免疫能力的虚数据符号
Figure BDA0002989336990000138
并对原始期望数据符号
Figure BDA0002989336990000139
(点A)进行免疫编码，得到编码后的数据符号
Figure BDA00029893369900001310
(点B)，然后发送信号免疫编码信号
Figure BDA00029893369900001311
免疫编码信号
Figure BDA00029893369900001312
经过无线信道传输，微微用户设备PUE0从滤波后的混合信号进行最大似然(ML)接收得到估计数据符号
Figure BDA00029893369900001313
根据本发明设计，可以得到估计数据符号
Figure BDA00029893369900001314
与
Figure BDA00029893369900001315
(点A)一致，即在微微用户设备PUE0处可以无干扰地恢复期望数据x0。
下面结合仿真对本发明的应用效果做详细的描述。
1.仿真条件：
仿真对象：
本发明提出的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，与点对点多输入多输出(point-to-point Multiple-Input Multiple-Output,p2p MIMO)、干扰导向(Interference Steering,IS)和无干扰管理(Non-IM)的方法进行比较。其中，点对点多输入多输出(p2p MIMO)是微微基站PBS0在无干扰情况下与微微用户设备PUE0之间的通信；干扰导向(IS)利用导向信号将微微用户设备PUE0观测到的干扰的空间特征导向至与其期望信号特征相正交的方向，从而实现无干扰通信。通过MATLAB仿真获得期望接收机的频谱效率。同时，通过MATLAB对微微用户设备PUE0和窃听者PUEe的信道容量进行比较仿真，评估本发明实现安全传输的性能。
仿真参数：
宏基站MBS1采用噪声归一化发射功率
Figure BDA0002989336990000141
微微基站PBS0采用噪声归一化发射功率
Figure BDA0002989336990000142
MBS1和PBS0分别向MUE1和PUE0发送数据，
Figure BDA0002989336990000143
表示噪声功率，宏基站MBS1与微微基站PBS0的功率比为
Figure BDA0002989336990000144
其取值范围为η∈[1,10]。设置
Figure BDA0002989336990000145
其中，
Figure BDA0002989336990000146
是宏基站MBS1的发射天线数，
Figure BDA0002989336990000147
是微微基站PBS0的发射天线数，
Figure BDA0002989336990000148
是宏用户设备MUE1的接收天线数，
Figure BDA0002989336990000149
是微微用户设备PUE0的接收天线数，
Figure BDA00029893369900001410
是窃听者PUEe配备的接收天线数。宏基站MBS1和微微基站PBS0均采用16QAM调制。
2.仿真内容及其分析：
当
Figure BDA00029893369900001411
时，对微微用户设备PUE0的频谱效率进行仿真，其结果如图5所示，其中，纵轴表示频谱效率，横轴表示宏基站MBS1与微微基站PBS0的功率比η。由于本发明无需生成导向信号，节省了微微基站PBS0的发射功率，使得本发明性能优于干扰导向(IS)，性能接近于无干扰的理想点对点多输入多输出(p2p MIMO)，同时，相较于无干扰管理(Non-IM)，性能提升显著。
当
Figure BDA00029893369900001412
时，对微微用户设备PUE0和窃听者PUEe的信道容量进行仿真，其结果如图6所示，其中，纵轴表示信道容量，横轴表示宏基站MBS1与微微基站PBS0的功率比η。可以看到，随着η的增加，微微用户设备PUE0的信道容量保持在3.5比特/数据符号左右，由于微微用户设备PUE0处数据解调受到噪声的影响，略低于16QAM的信道极限容量4比特/数据符号，而窃听者PUEe的信道容量接近零。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，其特征在于，包括：
步骤一、期望发射机和干扰发射机之间共享信道状态信息和数据信息；
步骤二、所述期望发射机根据信道状态信息和干扰数据信息构造提供免疫能力的虚数据；所述期望发射机根据所述提供免疫能力的虚数据对待发送的期望数据进行免疫编码，得到免疫编码信号；所述期望发射机发送免疫编码信号；
步骤三、所述期望发射机对应的期望接收机收到包含干扰信号和所述免疫编码信号的混合信号，并将所述混合信号进行匹配滤波，所述期望接收机对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，以恢复出所述期望数据，所述干扰信号至少包括干扰数据信息；
所述步骤二，包括：
期望发射机Tx0利用所述信道状态信息和所述干扰数据信息，计算出所述提供免疫能力的虚数据xc，期望发射机Tx0利用所述提供免疫能力的虚数据xc对期望发射机Tx0的待发送期望数据x0进行免疫编码，构造出免疫编码数据
Figure FDA0003891600300000011
期望发射机Tx0采用预编码向量p0对所述免疫编码数据
Figure FDA0003891600300000012
进行预处理，得到免疫编码信号并进行发送；
具体包括：
(1)Tx0对期望信道状态信息H0进行奇异值分解，得到
Figure FDA0003891600300000013
Tx1对Tx1到Rx1的信道状态信息H1进行奇异值分解，得到H1＝U1Λ1V1 H，Tx0设计预编码向量
Figure FDA0003891600300000014
Rx0设计匹配滤波向量
Figure FDA0003891600300000015
Tx1设计预编码向量
Figure FDA0003891600300000016
其中，
Figure FDA0003891600300000017
表示右奇异矩阵V0第一列向量，
Figure FDA0003891600300000018
表示左奇异矩阵U0的第一列向量，
Figure FDA0003891600300000019
表示右奇异矩阵V1第一列向量，Λ0、Λ1分别是一个对角阵，所述对角阵Λ0、Λ1的主对角线的非零元素表示空间子信道的幅度增益，H0为Tx0到Rx0的期望信道状态信息，H1为干扰发射机Tx1到接收机Rx1的信道状态信息；
(2)Tx0根据包含干扰期望数据x1的干扰确定出所述提供免疫能力的虚数据
Figure FDA0003891600300000021
其中，所述干扰期望数据x1为干扰发射机Tx1向其对应的接收机Rx1发送的数据,
Figure FDA0003891600300000022
是所述期望信道状态信息H0的最大奇异值，
Figure FDA0003891600300000023
表示Tx1的发射功率，
Figure FDA0003891600300000024
表示Tx0的发射功率，H10为Tx1到Rx0的干扰信道状态信息；
(3)根据所述期望数据x0和所述提供免疫能力的虚数据xc，Tx0构造免疫编码iCoding数据
Figure FDA0003891600300000025
(4)Tx0采用预编码向量p0对所述iCoding数据
Figure FDA0003891600300000026
进行预编码，并向Rx0发送所述免疫编码后的免疫编码信号
Figure FDA0003891600300000027
2.根据权利要求1所述的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，其特征在于，
所述步骤三，包括：
期望接收机Rx0对收到的包含干扰期望数据x1的干扰和所述免疫编码信号的混合信号进行匹配滤波，期望接收机Rx0对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，以恢复出所述期望数据x0，所述干扰期望数据x1为干扰发射机Tx1向其对应的接收机Rx1发送的数据。
3.根据权利要求2所述的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，其特征在于，所述步骤一包括：
(1)干扰发射机Tx1广播导频信号到接收机Rx1和期望接收机Rx0，期望发射机Tx0广播导频信号到Rx0，Rx1根据导频信号估计出Tx1到Rx1的信道状态信息H1，Rx0根据Tx1和Tx0广播的导频信号估计出Tx1到Rx0的干扰信道状态信息H10和Tx0到Rx0的期望信道状态信息H0，所述接收机Rx1为干扰发射机Tx1对应的接收机；
(2)Tx1对应的接收机Rx1使用第一反馈链路，将Tx1到Rx1的信道状态信息H1反馈给Tx1，Rx0使用第二反馈链路，将干扰信道状态信息H10和期望信道状态信息H0反馈给Rx0，Tx1向Tx0协作共享其信息，Tx0获知H1和x1。
4.根据权利要求3所述的基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法，其特征在于，所述步骤三包括：
(1)Rx0采用滤波向量
Figure FDA0003891600300000031
对接收到的混合信号进行匹配滤波，所述混合信号至少包括Tx0和Tx1发送的信号，滤波后得到的来自Tx0和Tx1的估计信号分别为
Figure FDA0003891600300000032
和
Figure FDA0003891600300000033
(2)Rx0对所述混合信号滤波后的结果进行最大似然接收，从而正确恢复出所述期望数据x0。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述基于免疫编码的干扰管理和安全传输方法的无线通信系统。
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