CN113765617B - 一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，包括以下步骤：S1.构建基于反射放大面对抗同频干扰的通信系统；所述通信系统包括一个发射机、一个接收机、至少一个干扰机和一个放大反射面；S2.给定干扰机的参考功率阈值L，根据干扰机的发射功率P_I与参考功率阈值L的大小关系进行发射系数设计：(1)若干扰的发射功率P_I大于或等于阈值L，即L≤P_I，则基于干扰抑制比最小化设计反射系数；(2)若干扰的发射功率P_I小于阈值L，即L＞P_I，则基于系统容量最大化设计反射系数。本发明通过设计放大反射面的系数，有效实现了同频干扰的抑制。

Description

一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法。

背景技术

在现实通信场景，接收机会收到来自于干扰源的同频干扰信号，从而降低信噪比，提升误码率，甚至堵塞信道，使得有用信号无法正常接收。比如，在高密度5G蜂窝网中，因为频谱资源的稀缺，基站往往工作在同一个频率上。同时，因为是蜂窝网的高密度性，小区的边缘移动用户会比较靠近邻接小区的基站，从而受到其它基站的干扰。此外，全双工技术也会产生同频干扰，也就是自干扰。在战场环境中，军事通信设备甚至有很高的概率遭受敌方干扰机的主动干扰。此外，在战场的复杂环境当中，因为缺乏协同，即使是友方发射机也会干扰到接收机的接收。

现在的抗干扰技术大致分为两种：1)干扰重建消除技术；2)多天线系统的干扰对齐技术。干扰重建消除技术一般运用于全双工场景：全双工收发机重建自己发射的干扰信号，用重建信号在模拟域和数字域，将接收天线收到的自干扰信号减掉。但是这种方式，要求接收机知道自己发射的干扰信号用于重建，因此一般都用于全双工技术。而干扰对齐技术是指，干扰机通过预编码矩阵让干扰信号落在接收机的干扰子空间，并使得有用信号向量独立于干扰子空间。然后，接收机设计其接收矩阵使得干扰迫零。但是，这种方式需要干扰机配合接收机，也就是说干扰机必须是合作方，所以这种方式无法有效对抗恶意干扰。此外，在一些信道条件下，干扰机和接收机无法找到合适的预编码矩阵使得干扰迫零。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，通过设计放大反射面的系数，有效实现了同频干扰的抑制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，包括以下步骤：

S1.构建基于反射放大面对抗同频干扰的通信系统；

S2.给定干扰机的参考功率阈值L，根据干扰机的发射功率P_I与参考功率阈值L的大小关系进行发射系数设计：

(1)若干扰的发射功率P_I大于或等于阈值L，即L≤P_I，则基于干扰抑制比最小化设计反射系数；

(2)若干扰的发射功率P_I小于阈值L，即L＞P_I，则基于系统容量最大化设计反射系数。

其中，所述通信系统包括一个发射机、一个接收机、至少一个干扰机和一个放大反射面；

所述放大反射面由N个放大反射器组成，每个放大反射器放大反射电磁波并改变其相位，放大系数α由放大反射器的天线和负载决定：

其中Z_L和Z_A分别为负载和天线的阻抗，天线的阻抗为

Z_A＝R_A+jX_A

其中R_A＞0为实部表达了天线的电阻值，jX_A为虚部表达了天线的电抗；而在偏置电压下，负载成负阻抗性质，即，

Z_L＝-R_L+jX_L

其中-R_L＜0为实数表示负载的负电阻值，jX_L为虚部表示了负载的电抗；因此放大反射器的放大系数为：

通过调节负载的电阻电抗，就能够调节放大系数；

发射机发射有用信号给接收机，与此同时，存在干扰机发射出了干扰信号阻碍了期望信号的接收，在通信环境中设置的放大反射面，用来放大反射环境中的干扰信号，在空域中抵消直射径的干扰信号，同时增强有用信号；

考虑只有一个干扰机，接收机收到的信号如下：

其中是发射机到接收机的信道系数向量，/>是干扰机到接收机的信道系数向量，/>是发射机到放大反射面的信道系数矩阵，H_T＝[h_T,1,h_T,2,…,h_T,N]^H；/>是发射机到放大反射面的信道系数矩阵，H_I＝[h_I,1,h_I,2,…,h_I,N]^H,/>是放大反射面到接收机的信道系数向量；g＝[g₁,g₂,…,g_N]^H，/>是一个对角矩阵表示每个反射放大器的反射系数，z₀是期望为0且方差为1白噪声，而/>是反射放大面接收到的噪声；

上述接收信号实际上等价于

其中C_T＝GH_T是发射机-放大反射面-接收机的级联信道系数矩阵，C_I＝GH_I是干扰机-放大反射面-接收机的级联信道系数矩阵，G＝diag[g₁,g₂,…,g_N]，而a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T是反射系数向量，通过设计a，就能够控制干扰信道使其信道增益变为零。

优选地，所述发射机为单天线或多天线发射机；所述接收机为单天线接收机，所述干扰机为单天线或多天线干扰机。

所述基于干扰抑制比最小化设计反射系数的过程包括：

第一步、在不使用反射放大面时，接收机接收到的干扰信号功率为其中P_I是干扰的发射功率；在使用反射放大面后，接收机收到的干扰信号为/>因此干扰抑制比为：

第二步、为了最小化干扰抑制比，提出如下干扰抑制比最小化问题：

其中，α_max是反射系数幅度的最大值；

第三步、根据上述问题，设计一组反射系数实现最小化干扰抑制比，且使得反射系数向量的模最小，即也是就反射面能耗最小，反射系数/>为：

其中且/>通过对矩阵/>进行最大秩分解/>给出，r是矩阵的秩。

优选地，当所述矩阵C_I是一个行满秩矩阵时，即N≥M_I＝r时，设计反射系数为：

对应的自干扰抑制比为

由此，自干扰被完全抑制。

优选地，所述干扰机的数量为K时，干扰抑制比变为

其中且/>P_k是第k个干扰机的发射功率，/>是第k个干扰机到接收机的信道系数向量，C_k是第k个干扰机-放大反射面-接收机级联信道系数矩阵；

反射系数变为

其中且/>通过对/>进行最大秩分解/>给出，其中r是矩阵/>的秩。

所述基于系统容量最大化设计反射系数的过程包括：

给定一组反射系数为a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T，干扰下的信道容量大小为：

其中P_T是发射机的发射功率，为了最大化容量，因为log(·)是一个单调递增函数，故最大化信干噪比

s.t.|α_n|≤α_max,n＝1,…,N

最大化信干噪比的问题是一个非凸问题，通过如下算法来得到最优的反射系数a^*来最大化通信场景的容量。

首先，固定γ，问题(9)转换为

且设a^(γ)为问题(10)的最优解，那么当f(γ)＝0时，得到γ＝γ^*，且对应的问题(9)和问题(10)的最优解一样，即，

函数f(γ)是单调增函数，因此采取二分迭代法来解决问题(9)，其中每次迭代，解决问题(10)；而上一次迭代后的解作为当前迭代的一个参数；在第i次迭代中，线性化问题的目标函数(10)的第二项，即，得到

其中a_i-1是第(i-1)次迭代的最优解，即上次迭代后的最优解，当固定a_i-1后，函数g(a,a_i-1)关于变量a是一个凸函数，通过解决如下问题来获得当前迭代的最优解：

其中a_i是当第i次迭代的最优解，因为问题(12)是一个凸问题，可以使用CVX等，凸优化工具解决，求解基于容量最大化的最优反射系数a^*的步骤包括：

A1：参数初始化γ_low＝0，当前信道系数t_T，t_I，g，H_T，H_I，发射功率P_T，干扰机发射功率P_I，容忍误差σ₁，σ₂，第i次迭代的输出是θ_λi和G(λ_i)

A2：如果|γ_j-γ_j-1|＞σ则，进入A6；

A21：如果||a_i-a_i-1||＞σ则，进入A3；

A22：通过CVX计算a_i+1＝argmin_ag(a,a_i)；

A22：返回A21；

A3：使得并通过/>计算f(γ_j)；

A4：如果f(γ_j)＞0，则使得且γ_low＝γ_i；如果f(γ_j)＜0，则使得且γ_up＝γ_i；

A5：进入A2；

A6：令

优选地，所述干扰机的数量为多个时，公式(9)变为：

s.t.|α_n|≤α_max,n＝1,…,N

本发明的有益效果是：本发明通过设计放大反射面的系数，有效实现了同频干扰的抑制，并且根据干扰机的发射功率P_I与参考功率阈值L的大小关系进行发射系数设计，在干扰机的发射功率P_I大于或等于阈值L，基于干扰抑制比最小化设计反射系数；在干扰的发射功率P_I小于阈值L，基于系统容量最大化设计反射系数，从而在干扰信号的功率较大时，只抑制干扰信号，简化运算过程；在干扰信号功率较小时，只抑制干扰信号无法显著提高系统性能，因此以系统容量为目标获得更大传输速率收益。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为构建的通信系统原理示意图；

图3为放大反射器的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，包括以下步骤：

S1.构建基于反射放大面对抗同频干扰的通信系统；

S2.给定干扰机的参考功率阈值L，根据干扰机的发射功率P_I与参考功率阈值L的大小关系进行发射系数设计：

(1)若干扰的发射功率P_I大于或等于阈值L，即L≤P_I，则基于干扰抑制比最小化设计反射系数；

(2)若干扰的发射功率P_I小于阈值L，即L＞P_I，则基于系统容量最大化设计反射系数。

其中，如图2所示，所述通信系统包括一个发射机、一个接收机、至少一个干扰机和一个放大反射面；

所述放大反射面由N个放大反射器组成，每个放大反射器放大反射电磁波并改变其相位，每个放大反射器的原理如图3所示，放大系数α由放大反射器的天线和负载决定：

其中Z_L和Z_A分别为负载和天线的阻抗，天线的阻抗为

Z_A＝R_A+jX_A

其中R_A＞0为实部表达了天线的电阻值，jX_A为虚部表达了天线的电抗；而在偏置电压下，负载成负阻抗性质，即，

Z_L＝-R_L+jX_L

其中-R_L＜0为实数表示负载的负电阻值，jX_L为虚部表示了负载的电抗；因此放大反射器的放大系数为：

通过调节负载的电阻电抗，就能够调节放大系数；

发射机发射有用信号给接收机，与此同时，存在干扰机发射出了干扰信号阻碍了期望信号的接收，在通信环境中设置的放大反射面，用来放大反射环境中的干扰信号，在空域中抵消直射径的干扰信号，同时增强有用信号；

考虑只有一个干扰机，接收机收到的信号如下：

其中是发射机到接收机的信道系数向量，/>是干扰机到接收机的信道系数向量，/>是发射机到放大反射面的信道系数矩阵，H_T＝[h_T,1,h_T,2,…,h_T,N]^H；/>是发射机到放大反射面的信道系数矩阵，H_I＝[h_I,1,h_I,2,…,h_I,N]^H,/>是放大反射面到接收机的信道系数向量；g＝[g₁,g₂,…,g_N]^H，/>是一个对角矩阵表示每个反射放大器的反射系数，z₀是期望为0且方差为1白噪声，而/>是反射放大面接收到的噪声；

上述接收信号实际上等价于

其中C_T＝GH_T是发射机-放大反射面-接收机的级联信道系数矩阵，C_I＝GH_I是干扰机-放大反射面-接收机的级联信道系数矩阵，G＝diag[g₁,g₂,…,g_N]，而a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T是反射系数向量，通过设计a，就能够控制干扰信道使其信道增益变为零。

在本申请的实施例中，所述发射机为单天线或多天线发射机；所述接收机为单天线接收机，所述干扰机为单天线或多天线干扰机。

所述基于干扰抑制比最小化设计反射系数的过程包括：

第一步、在不使用反射放大面时，接收机接收到的干扰信号功率为其中P_I是干扰的发射功率；在使用反射放大面后，接收机收到的干扰信号为/>因此干扰抑制比为：

第二步、为了最小化干扰抑制比，提出如下干扰抑制比最小化问题：

其中，α_max是反射系数幅度的最大值；

第三步、根据上述问题，设计一组反射系数实现最小化干扰抑制比，且使得反射系数向量的模最小，即也是就反射面能耗最小，反射系数/>为：

其中且/>通过对矩阵/>进行最大秩分解/>给出，r是矩阵的秩。

在本申请的实施例中，当所述矩阵C_I是一个行满秩矩阵时，即N≥M_I＝r时，设计反射系数为：

对应的自干扰抑制比为

由此，自干扰被完全抑制。

在本申请的实施例中，所述干扰机的数量为K时，干扰抑制比变为

其中且/>P_k是第k个干扰机的发射功率，/>是第k个干扰机到接收机的信道系数向量，C_k是第k个干扰机-放大反射面-接收机级联信道系数矩阵；

反射系数变为

其中且/>通过对/>进行最大秩分解/>给出，其中r是矩阵/>的秩。其中/>是A_I的共轭转置矩阵。

反射放大面不但可以抑制干扰同时也可以增强有用信号，因此为了使得通信系统的性能达到最大，提出了已经系统容量最大化的反射系数设计方法：

首先，系统模型可得，在所述基于系统容量最大化设计反射系数的过程包括：

给定一组反射系数为a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T，干扰下的信道容量大小为：

其中P_T是发射机的发射功率，为了最大化容量，因为log(·)是一个单调递增函数，故最大化信干噪比

最大化信干噪比的问题是一个非凸问题，通过如下算法来得到最优的反射系数a^*来最大化通信场景的容量。

首先，固定γ，问题(9)转换为

且设a^(γ)为问题(10)的最优解，那么当f(γ)＝0时，得到γ＝γ^*，且对应的问题(9)和问题(10)的最优解一样，即，

函数f(γ)是单调增函数，因此采取二分迭代法来解决问题(9)，其中每次迭代，解决问题(10)；问题(10)也是一个的凸-凹问题，可以通过(Convex-Concave-procedure，CCP)技术来解决这个问题。CCP技术是一个迭代算法，每次迭代，我们解决问题(10)的近似问题。而上一次迭代后的解作为当前迭代的一个参数；在第i次迭代中，线性化问题的目标函数(10)的第二项，即，得到

其中a_i-1是第(i-1)次迭代的最优解，即上次迭代后的最优解，当固定a_i-1后，函数g(a,a_i-1)关于变量a是一个凸函数，通过解决如下问题来获得当前迭代的最优解：

其中a_i是当第i次迭代的最优解，因为问题(12)是一个凸问题，可以使用CVX等，凸优化工具解决，求解基于容量最大化的最优反射系数a^*的步骤包括：

A1：参数初始化γ_low＝0，当前信道系数t_T，t_I，g，H_T，H_I，发射功率P_T，干扰机发射功率P_I，容忍误差σ₁，σ₂，第i次迭代的输出是/>和G(λ_i)

A2：如果|γ_j-γ_j-1|＞σ则，进入A6；

A21：如果||a_i-a_i-1||＞σ则，进入A3；

A22：通过CVX计算a_i+1＝argmin_ag(a,a_i)；

A22：返回A21；

A3：使得并通过/>计算f(γ_j)；

A4：如果f(γ_j)＞0，则使得且γ_low＝γ_i；如果f(γ_j)＜0，则使得且γ_up＝γ_i；

A5：进入A2；

A6：令

在本申请的实施例中，所述干扰机的数量为多个时，公式(9)变为：

s.t.|α_n|≤α_max,n＝1,…,N

当设计好放大反射系数后，通过调节负载的电阻电抗，即可将放大发射系数调节到设定值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.构建基于反射放大面对抗同频干扰的通信系统；

所述通信系统包括一个发射机、一个接收机、至少一个干扰机和一个反射放大面；

所述反射放大面由N个放大反射器组成，每个放大反射器放大反射电磁波并改变其相位，放大系数α由放大反射器的天线和负载决定：

其中Z_L和Z_A分别为负载和天线的阻抗，天线的阻抗为

Z_A＝R_A+jX_A

其中R_A＞0为实部表达了天线的电阻值，jX_A为虚部表达了天线的电抗；而在偏置电压下，负载成负阻抗性质，即，

Z_L＝-R_L+jX_L

其中-R_L＜0为实数表示负载的负电阻值，jX_L为虚部表示了负载的电抗；因此放大反射器的放大系数为：

通过调节负载的电阻电抗，就能够调节放大系数；

发射机发射有用信号给接收机，与此同时，存在干扰机发射出了干扰信号阻碍了期望信号的接收，在通信环境中设置的反射放大面，用来放大反射环境中的干扰信号，在空域中抵消直射径的干扰信号，同时增强有用信号；

考虑只有一个干扰机，接收机收到的信号如下：

其中是发射机到接收机的信道系数向量，/>是干扰机到接收机的信道系数向量，/>是发射机到反射放大面的信道系数矩阵，H_T＝[h_T,1,h_T,2,…,h_T,N]^H；/>是发射机到反射放大面的信道系数矩阵，H_I＝[h_I,1,h_I,2,…,h_I,N]^H,/>是反射放大面到接收机的信道系数向量；g＝[g₁,g₂,…,g_N]^H，/>是一个对角矩阵表示每个放大反射器的反射系数，z₀是期望为0且方差为1白噪声，而/>是反射放大面接收到的噪声；

上述接收信号实际上等价于

其中C_T＝GH_T是发射机-反射放大面-接收机的级联信道系数矩阵，C_I＝GH_I是干扰机-反射放大面-接收机的级联信道系数矩阵，G＝diag[g₁,g₂,…,g_N]，而a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T是反射系数向量，通过设计a，就能够控制干扰信道使其信道增益变为零；

S2.给定干扰机的参考功率阈值L，根据干扰机的发射功率P_I与参考功率阈值L的大小关系进行反射系数设计：

(1)若干扰的发射功率P_I大于或等于阈值L，即L≤P_I，则基于干扰抑制比最小化设计反射系数；

所述基于干扰抑制比最小化设计反射系数的过程包括：

第一步、在不使用反射放大面时，接收机接收到的干扰信号功率为其中P_I是干扰的发射功率；在使用反射放大面后，接收机收到的干扰信号为/>因此干扰抑制比为：

第二步、为了最小化干扰抑制比，提出如下干扰抑制比最小化问题：

其中，α_max是反射系数幅度的最大值；

第三步、根据上述问题，设计一组反射系数实现最小化干扰抑制比，且使得反射系数向量的模最小，即反射放大面能耗最小；反射系数/>为：

其中且/>通过对矩阵/>进行最大秩分解/>给出，r是矩阵/>的秩；

(2)若干扰的发射功率P_I小于阈值L，即L＞P_I，则基于系统容量最大化设计反射系数；

所述基于系统容量最大化设计反射系数的过程包括：

给定一组反射系数为a＝[α₁,α₁,…,α_N]^T，干扰下的信道容量大小为：

其中P_T是发射机的发射功率，为了最大化容量，因为log(·)是一个单调递增函数，故最大化信干噪比

s.t.|α_n|≤α_max,n＝1,…,N

最大化信干噪比的问题是一个非凸问题，通过如下算法来得到最优的反射系数a^*来最大化通信场景的容量；

首先，固定γ，问题(9)转换为

且设a^(γ)为问题(10)的最优解，那么当f(γ)＝0时，得到γ＝γ^*，且对应的问题(9)和问题(10)的最优解一样，即，

函数f(γ)是单调增函数，因此采取二分迭代法来解决问题(9)，因为问题(10)是由问题(9)转换得到，相当于在每次迭代时，解决问题(10)；而上一次迭代后的解作为当前迭代的一个参数；在第i次迭代中，线性化问题(10)的目标函数的第二项，即，得到

其中a_i-1是第(i-1)次迭代的最优解，即上次迭代后的最优解，当固定a_i-1后，函数g(a,a_i-1)关于变量a是一个凸函数，通过解决如下问题来获得当前迭代的最优解：

其中a_i是当第i次迭代的最优解，因为问题(12)是一个凸问题，使用CVX解决，求解基于容量最大化的最优反射系数a^*的步骤包括：

A1：参数初始化γ_low＝0，当前信道系数t_T，t_I，g，H_T，H_I，发射功率P_T，干扰机发射功率P_I，容忍误差σ₁，σ₂，第i次迭代的输出是θ_λi和G(λ_i)

A2：如果|γ_j-γ_j-1|＞σ则，进入A6；

A21：如果||a_i-a_i-1||＞σ则，进入A3；

A22：通过CVX计算a_i+1＝argmin_ag(a,a_i)；

A22：返回A21；

A3：使得并通过/>计算f(γ_j)；

A4：如果f(γ_j)＞0，则使得且γ_low＝γ_i；如果f(γ_j)＜0，则使得且γ_up＝γ_i；

A5：进入A2；

A6：令

2.根据权利要求1所述的一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，其特征在于：所述发射机为单天线或多天线发射机；所述接收机为单天线接收机，所述干扰机为单天线或多天线干扰机。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，其特征在于：当所述矩阵C_I是一个行满秩矩阵时，即N≥M_I＝r时，设计反射系数为：

对应的自干扰抑制比为

由此，自干扰被完全抑制。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，其特征在于：所述干扰机的数量为K时，干扰抑制比变为

其中且/>P_k是第k个干扰机的发射功率，/>是第k个干扰机到接收机的信道系数向量，C_k是第k个干扰机-反射放大面-接收机级联信道系数矩阵；

反射系数变为

其中且/>通过对/>进行最大秩分解/>给出，其中r是矩阵的秩。

5.根据权利要求1所述的一种基于反射放大面对抗同频干扰的方法，其特征在于：所述干扰机的数量为多个时，问题(9)变为：

s.t.|α_n|≤α_max,n＝1,…,N。