專利名稱：一種改進的提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在竊聽信道狀態(tài)不完全確定的情況下，提高保密通信系統(tǒng)穩(wěn)定性能的波束成形與人工噪聲聯(lián)合優(yōu)化的方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于無線通信設(shè)備的廣播特性，保密性成為無線通信中最基本的問題。一直以來，保密通信都是通過使用密碼系統(tǒng)實現(xiàn)的，像加密。另一方面，在信息理論角度，有很多研究證明，可以不添加密鑰的情況下實現(xiàn)可靠地保密通信，即物理層安全。
物理層安全(physical-layer secrecy)是由Wyner從信息論角度首次提出的。實現(xiàn)物理層安全，主要是利用信道的物理特性，根據(jù)其物理特性，將所添加的人工噪聲(artificial noise)變弊為利，在保證不影響主信道通信的條件下，盡可能的衰落竊聽信道，使竊聽端的信噪比盡可能的減小。添加人工噪聲主要有兩種方式一是將人工噪聲直接放在主信道的零空間內(nèi)，這樣不會影響主信道但卻可衰減竊聽信道，但是卻未將其優(yōu)化，功率分配不合理；另一種是將人工噪聲協(xié)方差矩陣與傳輸波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化，雖然算法相對復雜卻可以合理地分配發(fā)射功率，“在存在竊聽的情況下基于服務質(zhì)量的傳輸波束成形一種添加人工噪聲的優(yōu)化方法”IEEE Trans, SignalProcess. , vol. 59, no. 3, Mar. 2011.一文即屬于此列。然而，在實際應用中，竊聽端的具體位置(包括方向、遠近)都不是具體可知的，即其信道狀態(tài)信息(channel stateinformation)對于發(fā)射端來說不完全可知，甚至完全不可知。所以，一切基于竊聽信道狀態(tài)信息完全可知的假設(shè)的研究，其背景過于理想化，對實際研究的意義不大。為此，以信道狀態(tài)信息不確定為背景的研究也尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
針對原人工噪聲協(xié)方差矩陣與傳輸波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計中背景因素不理想，本發(fā)明提出了一種基于信道狀態(tài)信息不完全可知背景的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計方法。該方法是在原聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，考慮竊聽信道的信道狀態(tài)信息不完全可知，重新設(shè)計優(yōu)化方案，從而提高保密通信的穩(wěn)定性能。以實現(xiàn)在竊聽信道狀態(tài)信息未完全可知的情況下人工噪聲協(xié)方差矩陣與傳輸波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，提高保密通信的穩(wěn)健性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種改進的提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性能的方法，用于通信系統(tǒng)中，該系統(tǒng)中有三種節(jié)點發(fā)送端、接收端和竊聽端，發(fā)送端欲向接收端發(fā)送保密信息，不愿讓竊聽端接收到任何有用信息，系統(tǒng)中有一個具有N根發(fā)射天線的發(fā)送端、一個具有一根天線的接收端和M個竊聽端，每個竊聽端配備一根天線；記發(fā)送端到接收端的信道為主信道，發(fā)送端到第m個竊聽端的信道為第m個竊聽信道，并設(shè)主信道和竊聽信道都是無記憶的準靜態(tài)衰落信道，信道矢量中元素均服從復高斯分布，且相互獨立；記主信道的信道矢量為h= Lh1 h2 K hN]H，其中h” i G [I, K，N]表示第i根發(fā)射天線到接收端的信道衰落因子；第m個竊聽端信道矢量為ge.m = [gmi gm2 K g_]H, m = I, K, M,同理，gmi, i G [I, K, N]表示由第i發(fā)射天線到第m個竊聽端的第i根接收天線的信道衰落因子，且h，g_ G ￡N，￡N表示N維復數(shù)空間，上式表示!!、^^均包含于N維復數(shù)空間￡N中；信道中的加性噪聲n(t)、vk(t)均假設(shè)為高斯白噪聲，均值為O，方差為I ;發(fā)送端發(fā)送的信號為x(t) = ws (t)+z (t)，其中w為波束成形權(quán)重矢量，s(t)為要發(fā)送給合法接收端的保密信息，z(t)為由發(fā)送端產(chǎn)生的人工噪聲，且服從均值為O，協(xié)方差矩陣為I的復高斯分布，即z(t):CN(0，2)，該方法步驟如下I)確定參數(shù)估計主信道的信道矢量h和竊聽信道的估計值，信道加性噪聲W 及保密通信速率r的值以及竊聽信道不確定度Agm的邊界值I I AgmI I2彡em, m = 1，K，M，其中
I I I2為運算符號，表示求某矢量的二范數(shù)，e m表示主信道的信道偏移量幅度值的最大值，m表示竊聽端的序號，M表示竊聽端數(shù)目；2)確定優(yōu)化問題由于發(fā)射信號由波束成形后的有用信號ws(t)和人工噪聲z(t)組成，而信息信號s(t)的功率已被歸一化，即E{|s(t) |2} = 1，所以發(fā)送功率記為P = I |w| |2+Tr(2)，其中
Iwl 12表示對波束成形矢量W求二范數(shù)后取平方，Tr(S)表示求人工噪聲方差矩陣2的跡；根據(jù)香農(nóng)定理,最大傳輸信息速率W = Slog2(l+|)，其中B為帶寬，I為接收端信噪
t匕，則在有竊聽者存在的情況下，保密通信速率應為主信道的最大傳輸速率與竊聽信道的最大傳輸速率的差值，即Rs=Rmain-IU一，其中，Rs為保密通信速率，Rfflain與Rwiretap分別為主信道的最大傳輸速率與竊聽信道的最大傳輸速率；接收端與第m個竊聽端的信噪比分別為
Xrrgh和，其中hH和0表示求其自身的轉(zhuǎn)置，2與一分別表示主信道的加性
權(quán)利要求
1.一種改進的提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性能的方法，用于通信系統(tǒng)中，該系統(tǒng)中有三種節(jié)點發(fā)送端、接收端和竊聽端，發(fā)送端欲向接收端發(fā)送保密信息，不愿讓竊聽端接收到任何有用信息，系統(tǒng)中有ー個具有N根發(fā)射天線的發(fā)送端、ー個具有一根天線的接收端和M個竊聽端，每個竊聽端配備ー根天線；記發(fā)送端到接收端的信道為主信道，發(fā)送端到第m個竊聽端的信道為第m個竊聽信道，并設(shè)主信道和竊聽信道都是無記憶的準靜態(tài)衰落信道，信道矢量中元素均服從復高斯分布，且相互獨立；記主信道的信道矢量為h= Lh1 h2 K hN]H，其中比，i e [I, K, N]表示第i根發(fā)射天線到接收端的信道衰落因子；第m個竊聽端信道矢量為 ge.m = [gmi gm2 K gmN]H，m = Ι,Κ,Μ,同理，gmi, i e [I, K, N]表示由第 i 發(fā)射天線到第 m 個竊聽端的第i根接收天線的信道衰落因子，且h，ge,m e ￡n，￡N表示N維復數(shù)空間，上式表示h、g_均包含于N維復數(shù)空_￡N中；信道中的加性噪聲n(t)、vk(t)均假設(shè)為高斯白噪聲，均值為O，方差為I ;發(fā)送端發(fā)送的信號為x(t) = ws (t)+z (t)，其中w為波束成形權(quán)重矢量，s(t)為要發(fā)送給合法接收端的保密信息，z(t)為由發(fā)送端產(chǎn)生的人工噪聲，且服從均值為O，協(xié)方差矩陣為Σ的復高斯分布，即z(t):CN(0，Σ)，該方法步驟如下 1)確定參數(shù) 估計主信道的信道矢量h和竊聽信道的估計值瓦, ，信道加性噪聲の2、及保密通信速率r的值以及竊聽信道不確定度Agm的邊界值I I Ag」|2彡em, m= 1，K，M，其中| | | |2為運算符號，表示求某矢量的ニ范數(shù)，ε m表示主信道的信道偏移量幅度值的最大值，m表示竊聽端的序號，M表示竊聽端數(shù)目； 2)確定優(yōu)化問題 由于發(fā)射信號由波束成形后的有用信號ws(t)和人工噪聲z(t)組成，而信息信號s(t)的功率已被歸一化，即E{ |s (t) I2} = 1，所以發(fā)送功率記為P= I |w |2+Τι·(Σ)，其中I |w| I2表示對波束成形矢量w求ニ范數(shù)后取平方，Tr (Σ)表示求人工噪聲方差矩陣Σ的跡； 根據(jù)香農(nóng)定理，最大傳輸信息速率E = mog2(l+|)，其中B為帶寬，$為接收端信噪比，則在有竊聽者存在的情況下，保密通信速率應為主信道的最大傳輸速率與竊聽信道的最大傳輸速率的差值，即^main ^wiretap 其中，Rs為保密通信速率，Rmain與Rwiretap分別為主信道的最大傳輸速率與竊聽信道的最大傳輸速率；接收端與第m個竊聽端的信噪比分別為_和其中hH和*表示求其自身的轉(zhuǎn)置vrV分別表示主信道的加性噪聲的方差和第m個竊聽端的加性噪聲的方差； 因此，保密通信速率表示為我們以發(fā)送功率為目標函數(shù)，保密通信速率為限制條件，根據(jù)功率最小化原則，使目標函數(shù)最小化， 其中Mnimize是運算符號，意思為求解目標函數(shù)的最小值； 以w和Σ為未知數(shù)的優(yōu)化問題可表示為
全文摘要
一種改進的提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性能的方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。該方法步驟為確定參數(shù)、確定優(yōu)化問題、簡化優(yōu)化問題、引入松弛變量、化半無限限制條件為線性矩陣不等式、優(yōu)化問題的最終形式、證明所求解為最優(yōu)解、求得最優(yōu)發(fā)送功率popt、輸出最優(yōu)發(fā)送功率popt。本發(fā)明方法是在考慮竊聽信道的信道狀態(tài)信息不完全可知，重新設(shè)計優(yōu)化方案，從而提高保密通信的穩(wěn)定性能。以實現(xiàn)在竊聽信道狀態(tài)信息未完全可知的情況下人工噪聲協(xié)方差矩陣與傳輸波束成形向量聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計，提高保密通信的穩(wěn)健性。相比較于信道狀態(tài)信息可知的情況，該方法在保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性上有著顯著優(yōu)勢。
文檔編號H04L1/00GK102710363SQ20121019459
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者劉娟, 馬丕明 申請人:山東大學