CN114665937A - 一种多输入多输出收发机设计方法及装置 - Google Patents

一种多输入多输出收发机设计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多输入多输出收发机设计方法及装置，包括：基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；对目标优化模型进行求解，确定信号传输系统中收发机的优化设计参数；优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。本发明提供的多输入多输出收发机设计方法及装置，通过构建目标优化模型，并对目标优化模型进行求解，进而得到收发机的优化设计参数，能够有效防止窃听设备对信号的截取，保证了信号传输系统的通信安全。

Description

一种多输入多输出收发机设计方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种多输入多输出收发机设计方法及装置。
背景技术
为了提升信号传输系统的谱效，现有的与无蜂窝大规模多输入多输出技术相结合的网络辅助全双工系统，能够集合现有的同时同频全双工、灵活双工以及混合双工的特点，所有接入点均与中央处理单元通过回程相连，协作为用户提供服务。
接入点可工作在同时同频全双工或是半双工下，但由于同接入点收发天线间干扰可通过模拟手段消除，所以同时同频全双工的接入点也可以看作两个半双工接入点。
但在信号传输系统中，可能存在的窃听设备会从无线通信网中抽取或拦截上下行用户的隐私信息，造成安全隐患。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种多输入多输出收发机设计方法及装置。
本发明提供一种多输入多输出收发机设计方法，包括：
基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；
对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；
所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；
所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数，包括：
确定所述信号传输系统的工作模式；
根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型；
基于所述求解优化模型，确定所述优化设计参数；
所述目标函数是以所述所有用户的信号安全速率最大为优化目标；
所述约束条件是以发送接入点总功率和上行用户发送总功耗为约束。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型，包括：
根据所述工作模式，对所述目标函数进行近似凸优化求解，确定新的优化函数；
在所述优化函数不收敛的情况下，对所述新的优化函数进行近似凸优化求解，直至得到的优化函数收敛，确定收敛优化函数；
根据所述收敛优化函数，构建所述求解优化模型。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述确定所述信号传输系统的工作模式，包括：
根据所述信号传输系统中的接入点状态，构建所述信号传输系统的量子系统；
利用随机矩阵对所述量子系统进行测量，确定可行解矩阵；
利用所述可行解矩阵进行优化求解，确定所述信号传输系统的工作模式。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述所有用户包括所有下行用户和所有上行用户，在所述基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型之前，还包括：
根据任一下行用户处的信干噪比和所述任一下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一下行用户的信号安全速率函数；
并根据任一上行用户接收信号的信干噪比和所述任一上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一上行用户的信号安全速率函数；
根据所有上行用户的信号安全速率函数和所有下行用户的信号安全速率函数，构建所述安全速率模型。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述下行用户处的信干噪比，是基于以下方法得到的：
基于每个接入点的模式选择向量函数、下行链路预编码向量函数和下行人工噪声向量函数，确定所述信号传输系统中下行接入点的发送信号；
根据所述下行接入点的发送信号，确定每个下行用户从所述下行接入点接收到的接收信号；
根据所述各用户接收信号的干扰协方差，确定所述每个下行用户处的信干噪比。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述上行用户接收信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行接入点的接收信号，获取中央处理单元联级的接收信号；
对所述中央处理单元联级的接收信号进行干扰消除，获取中央处理单元的接收信号；
根据每个上行用户的干扰信号和所述中央处理单元的接收信号，获取所述每个上行用户接收信号的信干燥比。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
获取下行链路中各窃听设备位置的泄露信号；
根据所述下行链路中各窃听设备位置的泄露信号，以及每个下行用户在所述各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
根据本发明提供的一种多输入多输出收发机设计方法，所述上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行用户的信号发送功率，以及所述每个上行用户在各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
本发明还提供一种多输入多输出收发机设计装置，包括：
构建模块，基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；
求解模块，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；
所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；
所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述多输入多输出收发机设计方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述多输入多输出收发机设计方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述多输入多输出收发机设计方法。
本发明提供的多输入多输出收发机设计方法及装置，通过构建目标优化模型，并对目标优化模型进行求解，进而得到收发机的优化设计参数，能够有效防止窃听设备对信号的截取，保证了信号传输系统的通信安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的多输入多输出收发机设计方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的信号传输系统的结构示意图；
图3是本发明提供的多输入多输出收发机设计方法的流程示意图之二；
图4是本发明提供的安全频谱性能对比图之一；
图5是本发明提供的安全频谱性能对比图之二；
图6是本发明提供的多输入多输出收发机设计装置的结构示意图；
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
相较于以往的时分复用或频分复用半双工模式，第五代移动通信技术(5thgeneration mobile networks，5G)所支持的灵活双工模式可以进一步提高通信资源的利用效率。
同时同频全双工是允许在同一频率上同时进行上下行通信的全双工模式。由于同基站收发天线间干扰已经可以很好地消除，信号传输系统主要面临的问题变为上下行接入点及用户间的干扰消除，即交叉链路干扰消除。针对交叉链路干扰消除的空域双工通信等技术未能解决该交叉干扰问题。
除此之外，通信的安全问题也非常重要。针对在信号传输系统中的信号传输，分组部分时间模型将用户安排在不同的时频槽中以最大化最小安全速率，还有混合时间开关以及功率分割等方案以提高系统安全性，但并未涉及网络辅助全双工系统的物理层安全问题，其根据信道状况灵活选择双工模式的工作方式可以有效降低交叉链路干扰以及预防窃听设备接入。
无蜂窝网络辅助全双工系统相较于传统固定双工模式将拥有更大的自由度，可以在优化过程中获得最优的上下行方向选择。
针对网络辅助全双工无蜂窝大规模多输入多输出网络中安全传输问题，本发明提出了以最大化信号传输系统中上下行安全频谱效率为优化目标，以下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量为变量的优化模型，并给出了相应的模式选择及安全收发机设计方案。
下面结合图1至图7描述本发明实施例所提供的多输入多输出收发机设计方法及装置。
图1是本发明提供的多输入多输出收发机设计方法的流程示意图之一，如图1所示，包括但不限于以下步骤：
首先，在步骤S1中，基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型。
信号传输系统中的用户包括上行用户和下行用户。
图2是本发明提供的信号传输系统的结构示意图，如图2所示，信号传输系统中的双工模式可以包括：灵活双工、混合双工和全双工等工作模式；网络辅助全双工模式下，每个接入点均通过前传网络接入到中央处理单元。
在同一个接入点中，传输天线会对接收天线形成自干扰；上行用户会对下行用户形成上行对下行的干扰；同一个工作模式中，接收天线之间会形成下行对上行的干扰；窃听设备可以窃听对上行用户和传输天线的泄露信号。
在本发明提供的信号传输系统中，每台窃听设备可以对所有的用户设备进行窃听。通过设置频谱检测设备，可以确定检测到信号传输系统中的进行窃听的窃听设备以及该窃听设备的位置。
模式选择向量为双工模式选择向量。
安全速率模型包括上行用户安全速率函数和下行用户安全速率函数。
目标优化模型包括目标函数和约束条件。
具体地，根据信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标函数和约束条件。
进一步地，在步骤S2中，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
信号传输系统中的工作模式可以包括：灵活双工模式、混合双工模式和全双工模式。
通过对每个用户在所有的窃听设备处泄露的信号中，确定泄露信号最多的信干噪比，进而通过该信干噪比确定每个用户与窃听设备相关联的信号安全速率。
由于目标优化模型本身存在整数变量且多变量间相互耦合，属于非平滑非凸优化，为了解决高耦合度的优化问题，本发明提供了一种内外两层双循环求解的优化算法，用于多输入多输出收发机设计。
具体地，外循环基于量子禁忌算法，在单次循环中求解信号传输系统的最佳双工模式选择。通过内层循环，将在所求出的最佳工作模式基础上，使用一系列非凸转凸的近似，例如等价转换或是凹凸过程等，以求解该目标优化模型，最后可以计算出信号传输系统中收发机的优化设计参数，还可以分别确定对每个用户干扰最强的窃听设备。
本发明提供的多输入多输出收发机设计方法，通过构建目标优化模型，并对目标优化模型进行求解，进而得到收发机的优化设计参数，能够有效防止窃听设备对信号的截取，保证了信号传输系统的通信安全。
可选地，所述所有用户包括所有下行用户和所有上行用户，在所述基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型之前，还包括：
根据任一下行用户处的信干噪比和所述任一下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一下行用户的信号安全速率函数；
并根据任一上行用户接收信号的信干噪比和所述任一上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一上行用户的信号安全速率函数；
根据所有上行用户的信号安全速率函数和所有下行用户的信号安全速率函数，构建所述安全速率模型。
可选地，所述下行用户处的信干噪比，是基于以下方法得到的：
基于每个接入点的模式选择向量函数、下行链路预编码向量函数和下行人工噪声向量函数，确定所述信号传输系统中下行接入点的发送信号；
根据所述下行接入点的发送信号，确定每个下行用户从所述下行接入点接收到的接收信号；
根据所述各用户接收信号的干扰协方差，确定所述每个下行用户处的信干噪比。
可选地，所述上行用户接收信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行接入点的接收信号，获取中央处理单元联级的接收信号；
对所述中央处理单元联级的接收信号进行干扰消除，获取中央处理单元的接收信号；
根据每个上行用户的干扰信号和所述中央处理单元的接收信号，获取所述每个上行用户接收信号的信干燥比。
可选地，所述下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
获取下行链路中各窃听设备位置的泄露信号；
根据所述下行链路中各窃听设备位置的泄露信号，以及每个下行用户在所述各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
可选地，所述上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行用户的信号发送功率，以及所述每个上行用户在各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
网络辅助全双工模式下，接入点通过前传网络接入到中央处理单元，可以工作在半双工，同时同频双工、混合双工及灵活双工等模式下。考虑同时同频双工基站的上下行天线及上下行接入点间的天线干扰，以及上行用户对下行用户的用户间干扰。各接入点可以在上行或下行模式下工作，由优化结果求解得到。
信号传输系统共有X个接入点，K个下行用户，J个上行用户以及L个窃听设备，各接入点配有M根天线，各用户及窃听设备均为单天线。接入点指标集为
Figure BDA0003529055870000101
下行用户指标集为
Figure BDA0003529055870000102
上行用户指标集为
Figure BDA0003529055870000103
及窃听设备指标集为
Figure BDA0003529055870000104
可以理解的是，在下文的公式中，x’是接入点指标集
Figure BDA0003529055870000105
中不为x的接入点；k’是下行用户指标集
Figure BDA0003529055870000106
中不为k的下行用户；j’是上行用户指标集
Figure BDA0003529055870000107
中不为j的上行用户。
定义变量qD,x,qU,x′∈{0,1}分别表示接入点的上行及下行模式选择，qD,x(qU,x′)取1或取0对应该接入点选择下行或上行。
令qD＝[qD,1,qD,2,…,qD,X]∈{0,1}X×1，qU＝[qU,1,qU,2,…,qU,X]∈{0,1}X×1，相应对角分配矩阵为：
Figure BDA0003529055870000111
Figure BDA0003529055870000112
由此，可得出下行接入点的发送信号xD为：
Figure BDA0003529055870000113
其中，
Figure BDA0003529055870000114
为针对用户k的下行链路预编码向量，
Figure BDA0003529055870000115
为一个维度为MX×1的向量；sD,k为发送给用户k的数据信号，
Figure BDA0003529055870000116
为下行接入点在发送信号中叠加的人工噪声，
Figure BDA0003529055870000117
通过在发送信号上叠加人工噪声的方式对抗窃听设备拦截。
进一步地，根据下行接入点的发送信号xD，可得出用户k处从下行接入点的接收信号yD,k为：
Figure BDA0003529055870000118
其中，
Figure BDA0003529055870000119
表示所有接入点到用户k处的信道矢量；hIUI,j,k表示上行用户j到下行用户k之间的信道矢量；pU,j为上行用户j的信号发送功率；
Figure BDA00035290558700001110
表示来自上行用户j的数据信号；
Figure BDA00035290558700001111
表示下行用户k处的加性高斯白噪声。
根据下行用户k处的接收信号yD,k，可列出下行用户k处的信干噪比rD,k，表达式为：
Figure BDA0003529055870000121
其中，γD,k是下行用户k处的干扰协方差：
Figure BDA0003529055870000122
其中，gU,j,k表示上行发射用户j到下行接收用户k的信道状态信息；σD,k表示用户k处的高斯白噪声。
对于上行链路，首先列出任意接入点x′处的接收信号yU,x′，具体公式如下：
Figure BDA0003529055870000123
其中，
Figure BDA0003529055870000124
表示上行用户j到接入点x′处的信道矢量；
Figure BDA0003529055870000125
表示接入点x与接入点x′之间的信道矢量；xD,x为下行接入点x的发送信号；nU,x′为接入点x′处的加性高斯白噪声矢量，
Figure BDA0003529055870000126
由此，可得出在中央处理单元级联的接收信号yU为：
Figure BDA0003529055870000127
其中，
Figure BDA0003529055870000128
由于信道估计误差的存在，中央处理器往往无法仅基于其已知的下行基带信号和所估计出的信道信息来完全去除基站上下行天线间的干扰。出于实际考虑，假设基站天线间信道的估计误差为
Figure BDA0003529055870000129
并同时假设其服从高斯分布：
Figure BDA0003529055870000131
Figure BDA0003529055870000132
表示数字或模拟域未消除的天线间剩余干扰功率。
经过适当的干扰消除后，中央处理单元的接收信号变为
Figure BDA0003529055870000133
具体计算如下：
Figure BDA0003529055870000134
由此，可以得出中央处理单元处上行用户j的接收信号的信干噪比rU,j，表达式为：
Figure BDA0003529055870000135
其中，
Figure BDA0003529055870000136
是接收机预编码矢量；γU,j是处理上行用户j信号时的干扰及噪声，表达式如下：
Figure BDA0003529055870000137
其中，uU,j,x′表示接收接入点x′处的接收机预编码矢量；QU,x′表示接收接入点x′处的双工工作模式分配矩阵；QD,x表示发送接入点x处的双工工作模式分配矩阵；wD,x,k表示发送接入点x针对用户k的下行预编码向量；vAN,x表示接入点x处叠加的人工噪声；σU,x′表示接入点x′处的高斯白噪声；δLAI,x,x′表示接入点x与接入点x′之间经过干扰消除后的残余干扰功率。
假设窃听设备同样可获得下行链路信息，可列出窃听设备l处泄露的信号yEV,l的表达式：
Figure BDA0003529055870000141
其中，
Figure BDA0003529055870000142
表示所有接入点到窃听设备l的窃听信道矢量；
Figure BDA0003529055870000143
是对窃听设备l的加性高斯白噪声；hUE,j,l表示上行用户j到窃听设备l处的信道参量；nDE,l表示窃听设备l处的高斯白噪声。
由此，可以得到窃听设备l处泄露的下行用户k信号的信干噪比rDE,k,l，以及窃听设备l处泄露的上行用户j信号的信干噪比rUE,j,l，具体表达式为：
Figure BDA0003529055870000144
Figure BDA0003529055870000145
其中，γDE,k,l和γUE,j,l分别是下行用户k和上行用户j在窃听设备l处的干扰协方差，表达式写为：
Figure BDA0003529055870000146
Figure BDA0003529055870000147
其中，σDE,l表示窃听设备l窃听下行用户k时的白噪声功率；σUE,l表示窃听设备l窃听上行用户j时的白噪声功率。
由此，可写出信号系统中各下行用户k和上行用户j的信号安全速率函数分别为RDs,k和RUs,j，具体计算如下：
Figure BDA0003529055870000151
Figure BDA0003529055870000152
根据所有上行用户的信号安全速率函数和下行用户的信号安全速率函数，构建整个信号传输系统的安全速率模型。
整个信号传输系统以最大化系统的上行和下行信号安全速率为目标，以接入点发送总功率和上行用户发送总功率为约束，实现对下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量的联合优化设计。
首先构建目标优化模型：
Figure BDA0003529055870000153
其中，qD,x为发送接入点x处的双工工作模式分配向量；qU,x为接收接入点x处的双工工作模式分配向量；PD,x为预设的第x个接入点发送总功率，作为接入点的发送功率消耗最大值；PU,j为上行用户j的发送总功率，作为上行用户j发射功率最大值。
由于存在{qD,x,qU,x′}两个二元变量，非凸优化问题是一个非确定性多项式难题(NP-hard)的混合整数问题。当接入点和用户数目有限时，可以通过穷举法来得到全局最优解。但在无蜂窝大规模多输入多输出网络中，接入点的数目非常大，使用穷举法的计算复杂度大大增加，需要运算O(2X)个子问题。因此，穷举法并不适用于实际情况中。
其中外层循环通过采用基于量子禁忌搜索的双工模式选择算法来确定每一个接入点的工作方向；
内层循环则是基于外层循环确定下的双工方向，优化下行链路预编码向量wD，k、下行人工噪声向量vAN、上行链路发送功率pU,j的值、模式选择向量QD和QU。
可选地，所述对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数，包括：
确定所述信号传输系统的工作模式；
根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型；
基于所述求解优化模型，确定所述优化设计参数；
所述目标函数是以所述所有用户的信号安全速率最大为优化目标；
所述约束条件是以发送接入点总功率和上行用户发送总功耗为约束。
可选地，所述确定所述信号传输系统的工作模式，包括：
根据所述信号传输系统中的接入点状态，构建所述信号传输系统的量子系统；
利用随机矩阵对所述量子系统进行测量，确定可行解矩阵；
利用所述可行解矩阵进行优化求解，确定所述信号传输系统的工作模式。
量子禁忌搜索算法结合了禁忌搜索和量子计算的两种基本概念，因此量子禁忌搜索算法不仅可以利用量子算法来充分反映系统信息状态的改变，还可以利用禁忌搜索算法来提高搜索效率。根据所提出的量子禁忌搜索方法，可以优化每一个接入点的双工模式，具体计算方法如下所示：
首先，根据信号传输系统中接入点数量，初始化
Figure BDA0003529055870000171
和μ的值，
Figure BDA0003529055870000172
表示有X个量子比特的量子系统，μ用来记录所取得最优解，初始值设为0。
Figure BDA0003529055870000173
其中，αx和βx分别表示量子比特处于0状态和1状态的概率，
Figure BDA0003529055870000174
Figure BDA0003529055870000175
表示处于0状态和1状态的可能性相等。
进一步地，随机产生一个随机矩阵
Figure BDA0003529055870000176
随机矩阵V产生可行解和相邻解，其中C表示可行解的数目；矩阵V中的元素在0和1之间，矩阵V的每一行表示一种可能的双工模式；
Figure BDA0003529055870000177
表示一个维度为C×X的矩阵。
进一步地，通过测量
Figure BDA0003529055870000178
次，将获的可行解存储到矩阵
Figure BDA0003529055870000179
中，具体如下所示：
Figure BDA00035290558700001710
其中，通过比较
Figure BDA00035290558700001711
中的
Figure BDA00035290558700001712
Figure BDA00035290558700001713
和矩阵V中对应列元素的值，可以获得每一个比特
Figure BDA00035290558700001714
的值。
进一步地，为了满足可行域，引入一个新的表示可行解的变量ρ，令
Figure BDA0003529055870000181
并且求解优化问题，评估合适的解。其中
Figure BDA0003529055870000182
进一步地，更新最优解μ。如果当前循环适应度值比μ更好，则μ被当前循环适应度值所替代。
进一步地，在循环的过程中，能从领域解中获得两种解。一种是最佳解，存储到ρb中；一种是最差解，存进ρw中。
进一步地，表1是本发明提供的旋转门查找表，其中，Δθ表示旋转的角度。
表1旋转门查找表
Figure BDA0003529055870000183
根据表1，更新
Figure BDA0003529055870000184
的值。U(θ)表示量子门，根据量子门和
Figure BDA0003529055870000185
的计算，可以获得信号传输系统中每个接入点的下一个循环状态的
Figure BDA0003529055870000186
Figure BDA0003529055870000187
此时，可以确定信号传输系统中收发机的工作模式。
可选地，所述根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型，包括：
根据所述工作模式，对所述目标函数进行近似凸优化求解，确定新的优化函数；
在所述优化函数不收敛的情况下，对所述新的优化函数进行近似凸优化求解，直至得到的优化函数收敛，确定收敛优化函数；
根据所述收敛优化函数，构建所述求解优化模型。
内层循环采用基于连续凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)的优化算法，固定双工模式，优化收发机设计。首先考虑优化问题中的目标函数，通过引入两个变量λD,k和λU,j，分别表示下行安全速率和上行安全速率的下界，优化问题可以变形为：
Figure BDA0003529055870000191
然后，引入一系列新的变量{ψD,k}和{ψU,j}，分别表示窃听设备窃听到下行用户的速率和窃听设备窃听到上行用户的速率的上界，优化问题可以近似为：
Figure BDA0003529055870000192
尽管原问题可以近似得到新的优化问题来求解，但是由于wD,k,pU,j,uU,j在约束中紧密耦合在一起，因此新的优化问题的最优解仍然很难求解。根据外层循环确定的双工模式，可以先固定QD,x和QU,x′的值，优化问题可以写成：
Figure BDA0003529055870000201
其中，
Figure BDA0003529055870000202
由于约束条件C7至C10，所以优化问题非凸，需要进一步变化处理。
首先，针对约束式C7，通过引入新的变量τDE,k,l，表示窃听设备窃听到下行用户的信干燥比的优化上界，不等式C7和函数rDE,k,l可以近似为：
C11：ln(1+τDE,k,l)≤ψD,k
Figure BDA0003529055870000203
Figure BDA0003529055870000204
Figure BDA0003529055870000205
其中，a表示优化变量；w表示向量变量；A表示矩阵常数。利用不等式D1和D2对约束条件C11和约束条件C12进行一阶泰勒展开，分别得到约束条件C13和约束条件C14：
Figure BDA0003529055870000206
Figure BDA0003529055870000207
其中，
Figure BDA0003529055870000208
接下来，对于约束条件C8，引入变量{tD,k}，表示表达式
Figure BDA0003529055870000209
的优化下界，rD,k可以近似为：
Figure BDA0003529055870000211
其中，
Figure BDA0003529055870000212
C17：tD,k≥0；
利用不等式D2，对约束条件C16做一阶泰勒展开，可以近似为：
Figure BDA0003529055870000213
Figure BDA0003529055870000214
其中，a和b均为变量，a＞0,b＞0，
Figure BDA0003529055870000215
由于约束条件C15是非凸的，最后利用D3不等式对C15近似，得到：
Figure BDA0003529055870000216
完成对两个下行约束条件C7和C8的处理和近似后，接下来处理约束条件C9和C10。
对约束条件C9，首先考虑函数rUE,j,l。rUE,j,l上界可以表示为：
Figure BDA0003529055870000217
其中，tUE,j,l表示pU,j|hUE,j,l|2的上界；τUE,j,l表示γUE,j,l的下界。
Figure BDA0003529055870000218
C22：γUE,j,l≥τUE,j,l；
约束条件C9可以写成：
Figure BDA0003529055870000221
给定
Figure BDA0003529055870000222
其中，
Figure BDA0003529055870000223
表示优化变量{τUE,l,k,tUE,j,l,vAN,wD,k}在第n次迭代的输出常数结果，当n＝0表示输入的初始值，利用不等式D1和D2，约束条件C21和C22可以近似为：
Figure BDA0003529055870000224
Figure BDA0003529055870000225
利用不等式D1，约束C23近似为：
Figure BDA0003529055870000226
最后处理约束条件C10。由于变量pU,j,vAN,wD,k和uU,j在rU,j中耦合在一起，导致约束条件C10是最难处理的。而引入新的变量，得到rU,j的下界，约束条件C27，具体为：
Figure BDA0003529055870000227
其中，
Figure BDA0003529055870000228
Figure BDA0003529055870000229
是引入的新变量，分别表示表达式
Figure BDA00035290558700002210
Figure BDA00035290558700002211
以及
Figure BDA00035290558700002212
的上界，并且可以得到以下约束条件：
Figure BDA0003529055870000231
Figure BDA0003529055870000232
Figure BDA0003529055870000233
Figure BDA0003529055870000234
约束条件C28至C30可以进一步分别近似为：
Figure BDA0003529055870000235
Figure BDA0003529055870000236
Figure BDA0003529055870000237
最后，约束条件C10可以变换为：
Figure BDA0003529055870000238
其中，
Figure BDA0003529055870000239
Figure BDA00035290558700002310
Figure BDA00035290558700002311
此时，根据求解优化模型，可以得到信号传输系统中收发机的优化设计参数，包括：下行链路预编码向量
Figure BDA00035290558700002312
下行人工噪声向量
Figure BDA00035290558700002313
上行链路发送功率
Figure BDA0003529055870000241
以及模式选择向量
Figure BDA0003529055870000242
还可以包括接收机预编码矢量
Figure BDA0003529055870000243
在实际的应用中，可以根据具体的需求，求解出优化设计参数中的任意一项或是多项。
本发明提供的多输入多输出收发机设计方法，利用双循环策略解决内层循环的非凸子问题，外层循环通过量子禁忌算法求出单次迭代最优模式选择，再通过内层循环，利用连续凹凸过程、等价变换等将非凸转凸求解，进而确定收发机及上行链路发送功率设计，实现信号传输系统的通信安全。
图3是本发明提供的多输入多输出收发机设计方法的流程示意图之二，如图3所示，包括：
首先，初始化
Figure BDA0003529055870000244
进一步地，生成随机矩阵V，对
Figure BDA0003529055870000245
进行修正。
进一步地，在固定
Figure BDA0003529055870000246
下求解近似凸优化问题，并以所求最优解更新下次凸优化迭代中参数
Figure BDA0003529055870000247
进一步地，判断近似凸优化问题是否收敛，在不收敛的情况下，对问题进行进一步近似求解；在收敛的情况下，返回近似凸优化最优解
Figure BDA0003529055870000248
进一步地，更新适应度μ及
Figure BDA0003529055870000249
找到最优解ρb及最差解ρw。
进一步地，判断量子禁忌搜索算法是否收敛，在不收敛的情况下，再次生成随机矩阵对
Figure BDA00035290558700002410
进行修正；在收敛的情况下，结束并返回最优解
Figure BDA00035290558700002411
本发明提供的多输入多输出收发机设计方法，以发送接入点总功率和上行链路总功率为约束，以在功耗限制下最大化系统的上下行链路总速率，实现信号传输系统的上行安全传输速率以及下行安全传输速率最大化问题。
图4是本发明提供的安全频谱性能对比图之一，如图4所示，横轴为自干扰强度△，单位为分贝(dB)；纵轴为频谱效率，单位为比特率/赫兹(bps/Hz)。在不同自干扰抑制条件下，根据图4中的安全频谱效率性能曲线，随着自干扰的强度变化时，相比于贪婪算法、固定双工模式的网络辅助全双工以及时分双工，基于量子禁忌搜索算法设计的系统安全谱效性能增益更高。
并且量子禁忌搜索算法的谱效性能也更加接近使用穷举算法的频谱效率。当自干扰小于等于0dB时，贪婪算法、固定双工模式的网络辅助全双工、时分双工、穷举算法以及所提出的量子禁忌搜索算法的安全频谱效率性能改变较为平缓。当自干扰大于0dB时，这五种算法的性能随着自干扰的增加而急剧下降。但是整体来说在自干扰处于较低范围内时，本方案的能效提升是非常有效的。并且，可以发现在自干扰大于20dB时，量子禁忌搜索算法的性能和贪婪算法、固定双工模式的网络辅助全双工性能之间的差距进一步扩大。因为当自干扰过大时，系统需要更灵活的接入点调度机制来克服过高的自干扰带来的负面影响。因此对比贪婪算法和固定双工模式的网络辅助全双工以及时分双工机制，基于量子禁忌搜索算法设计拥有更高的安全频谱效率并且能够提供更高的自由度来克服自干扰的影响。
图5是本发明提供的安全频谱性能对比图之二，如图5所示，横轴为接入点数，纵轴为频谱效率，单位为比特率/赫兹(bps/Hz)。图5展示了不同接入点数设置对系统安全谱效的影响。安全算法包括量子禁忌搜索算法、贪婪算法、网络辅助全双工和时分双工，在设定固定自干扰为-5dB，天线数为2的情况下，所有算法的安全谱效随着接入点数量的增加而增加，随着接入点数目从6增加到20，安全谱效区间从23.63bps/Hz至50.76bps/Hz增加到了37.52bps/Hz至74.34bps/Hz。且同等参数设置下，本发明所提算法性能要优于其他算法，以实现更高的安全频谱效率，贪婪算法和固定上下行网络辅助全双工网络次之，时分双工模式下的系统安全谱效位列最后。
下面对本发明提供的多输入多输出收发机设计装置进行描述，下文描述的多输入多输出收发机设计装置与上文描述的多输入多输出收发机设计方法可相互对应参照。
图6是本发明提供的多输入多输出收发机设计装置的结构示意图，如图6所示，包括：
构建模块601，用于基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；
求解模块602，用于基于所述工作模式，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
首先，构建模块601基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型。
信号传输系统中的用户包括上行用户和下行用户。
如图2所示，信号传输系统中的双工模式可以包括：灵活双工、混合双工和全双工等工作模式；网络辅助全双工模式下，每个接入点均通过前传网络接入到中央处理单元。
在同一个接入点中，传输天线会对接收天线形成自干扰；上行用户会对下行用户形成上行对下行的干扰；同一个工作模式中，接收天线之间会形成下行对上行的干扰；窃听设备可以窃听对上行用户和传输天线的泄露信号。
在本发明提供的信号传输系统中，每台窃听设备可以对所有的用户设备进行窃听。通过设置频谱检测设备，可以确定检测到信号传输系统中的进行窃听的窃听设备以及该窃听设备的位置。
模式选择向量为双工模式选择向量。
安全速率模型包括上行用户安全速率函数和下行用户安全速率函数。
目标优化模型包括目标函数和约束条件。
具体地，根据信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标函数和约束条件。
进一步地，求解模块602对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
信号传输系统中的工作模式可以包括：灵活双工模式、混合双工模式和全双工模式。
通过对每个用户在所有的窃听设备处泄露的信号中，确定泄露信号最多的信干噪比，进而通过该信干噪比确定每个用户与窃听设备相关联的信号安全速率。
由于目标优化模型本身存在整数变量且多变量间相互耦合，属于非平滑非凸优化，为了解决高耦合度的优化问题，本发明提供了一种内外两层双循环求解的优化算法，用于多输入多输出收发机设计。
具体地，外循环基于量子禁忌算法，在单次循环中求解信号传输系统的最佳双工模式选择。通过内层循环，将在所求出的最佳工作模式基础上，使用一系列非凸转凸的近似，例如等价转换或是凹凸过程等，以求解该目标优化模型，最后可以计算出信号传输系统中收发机的优化设计参数，还可以分别确定对每个用户干扰最强的窃听设备。
本发明提供的多输入多输出收发机设计装置，通过构建目标优化模型，并对目标优化模型进行求解，进而得到收发机的优化设计参数，能够有效防止窃听设备对信号的截取，保证了信号传输系统的通信安全。
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)710、通信接口(Communications Interface)720、存储器(memory)730和通信总线740，其中，处理器710，通信接口720，存储器730通过通信总线740完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器730中的逻辑指令，以执行多输入多输出收发机设计方法，该方法包括：基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；确定所述信号传输系统的工作模式；基于所述工作模式，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
此外，上述的存储器730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的多输入多输出收发机设计方法，该方法包括：基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；确定所述信号传输系统的工作模式；基于所述工作模式，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的多输入多输出收发机设计方法，该方法包括：基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；确定所述信号传输系统的工作模式；基于所述工作模式，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：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 (13)

1.一种多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，包括：
基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；
对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；
所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；
所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
2.根据权利要求1所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数，包括：
确定所述信号传输系统的工作模式；
根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型；
基于所述求解优化模型，确定所述优化设计参数；
所述目标函数是以所述所有用户的信号安全速率最大为优化目标；
所述约束条件是以发送接入点总功率和上行用户发送总功耗为约束。
3.根据权利要求2所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述根据所述工作模式，对所述目标优化模型的目标函数和约束条件进行近似优化，构建求解优化模型，包括：
根据所述工作模式，对所述目标函数进行近似凸优化求解，确定新的优化函数；
在所述优化函数不收敛的情况下，对所述新的优化函数进行近似凸优化求解，直至得到的优化函数收敛，确定收敛优化函数；
根据所述收敛优化函数，构建所述求解优化模型。
4.根据权利要求2所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述确定所述信号传输系统的工作模式，包括：
根据所述信号传输系统中的接入点状态，构建所述信号传输系统的量子系统；
利用随机矩阵对所述量子系统进行测量，确定可行解矩阵；
利用所述可行解矩阵进行优化求解，确定所述信号传输系统的工作模式。
5.根据权利要求1所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述所有用户包括所有下行用户和所有上行用户，在所述基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型之前，还包括：
根据任一下行用户处的信干噪比和所述任一下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一下行用户的信号安全速率函数；
并根据任一上行用户接收信号的信干噪比和所述任一上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，确定所述任一上行用户的信号安全速率函数；
根据所有上行用户的信号安全速率函数和所有下行用户的信号安全速率函数，构建所述安全速率模型。
6.根据权利要求5所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述下行用户处的信干噪比，是基于以下方法得到的：
基于每个接入点的模式选择向量函数、下行链路预编码向量函数和下行人工噪声向量函数，确定所述信号传输系统中下行接入点的发送信号；
根据所述下行接入点的发送信号，确定每个下行用户从所述下行接入点接收到的接收信号；
根据所述各用户接收信号的干扰协方差，确定每个下行用户处的信干噪比。
7.根据权利要求5所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述上行用户接收信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行接入点的接收信号，获取中央处理单元联级的接收信号；
对所述中央处理单元联级的接收信号进行干扰消除，获取中央处理单元的接收信号；
根据每个上行用户的干扰信号和所述中央处理单元的接收信号，获取所述每个上行用户接收信号的信干燥比。
8.根据权利要求5所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
获取下行链路中各窃听设备位置的泄露信号；
根据所述下行链路中各窃听设备位置的泄露信号，以及每个下行用户在所述各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个下行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
9.根据权利要求5所述的多输入多输出收发机设计方法，其特征在于，所述上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比，是基于以下方法得到的：
根据每个上行用户的信号发送功率，以及所述每个上行用户在各窃听设备处的干扰协方差，确定所述每个上行用户在所有窃听设备位置泄露信号的信干噪比。
10.一种多输入多输出收发机设计装置，其特征在于，包括：
构建模块，基于信号传输系统中用户信号的安全速率模型，构建目标优化模型；
求解模块，对所述目标优化模型进行求解，确定所述信号传输系统中收发机的优化设计参数；
所述优化设计参数包括下行链路预编码向量、下行人工噪声向量、上行链路发送功率以及模式选择向量中的至少一项；
所述安全速率模型是基于所有用户与窃听设备相关联的信号安全速率确定的。
11.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9任一项所述多输入多输出收发机设计方法。
12.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述多输入多输出收发机设计方法。
13.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述多输入多输出收发机设计方法。
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