一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)及其傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)，以及一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適應(yīng)選擇的傳輸方法。模型是單中繼的通信系統(tǒng)，包括發(fā)送信號源、非可信中繼和合法接收節(jié)點。本策略中發(fā)送源僅需要知道信道量化于碼本中的標(biāo)號，而無需知道信道完全狀態(tài)信息(CSI)。通過反饋比特數(shù)的合理選擇，在達(dá)成接收信干噪比(SINR)閾值要求的情況下最小化安全中斷概率，使系統(tǒng)兼顧安全性和可靠性。
【專利說明】-種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)及其傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于多天線協(xié)同中繼無線通信系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種基 于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)，以及一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的 反饋比特數(shù)自適應(yīng)選擇的傳輸方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信物理層安全的核心思想是探究無線通信系統(tǒng)的物理特性以提供安全通 信環(huán)境。物理層安全技術(shù)通過充分利用無線信道復(fù)雜的空間特性和時變特性，使竊聽者無 法接收到保密信號，可直接從物理層保障信息傳輸?shù)陌踩??；谙戕r(nóng)的信息安全理論， Wyner首先提出了安全容量概念，定義為在竊聽干擾下能可靠傳輸信息的最大速率，反映了 可安全傳輸?shù)男畔⒘康亩嗌伲呛饬肯到y(tǒng)安全性能的標(biāo)準(zhǔn)。最優(yōu)化的安全通信就是使合法 接收節(jié)點的容量最大化，同時使竊聽節(jié)點的容量最小化。
[0003] 協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)的三節(jié)點通信模型與傳統(tǒng)搭線通信模型相比，主要區(qū)別是前者存在 外部竊聽節(jié)點。即使不存在外部竊聽，信息也有可能被非可信中繼所竊聽。非可信中繼在 幫助轉(zhuǎn)發(fā)信息的同時，也在試圖竊聽信息，此時非可信中繼就成為內(nèi)部竊聽者。通過引入友 好干擾節(jié)點，含有非可信中繼的協(xié)同通信系統(tǒng)可獲得正安全容量當(dāng)中繼采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)方式 傳輸時，中繼節(jié)點優(yōu)先于目的節(jié)點收到更準(zhǔn)確的解碼信號，無法獲得正安全容量，故非可信 中繼通信系統(tǒng)一般采用放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼。
[0004] 當(dāng)前協(xié)同中繼系統(tǒng)物理層的安全性能分析主要包括安全容量、安全中斷率等；安 全傳輸方法包括波束成形、協(xié)作干擾等；安全節(jié)點選擇方法包括中繼選擇、友好干擾選擇 等。這些工作均假設(shè)發(fā)送節(jié)點已知完全的CSI。然而在許多實際通信場合，發(fā)送節(jié)點通常難 以獲得完全CSI。針對此問題，有限反饋技術(shù)可使得發(fā)送節(jié)點獲得部分CSI。如何合理設(shè)計 有限反饋比特數(shù)，在獲得部分CSI情況下保障系統(tǒng)的安全性，同時兼顧系統(tǒng)的可靠性，具有 很重要的現(xiàn)實意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)物理層安全的探 究中缺少考慮不能獲得完全CSI的情況，本發(fā)明提供了一種基于有限反饋的多天線非可信 中繼系統(tǒng)，以及一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適應(yīng)選擇的傳 輸方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一個發(fā)送信 號源S節(jié)點、一個非可信中繼R節(jié)點和一個合法接收D節(jié)點，S節(jié)點、R節(jié)點和D節(jié)點天線數(shù) 目分別為M，1，M，R節(jié)點為放大轉(zhuǎn)發(fā)非受信中繼；采用有限反饋技術(shù)獲取S-R信道的信道狀 態(tài)信息CSI，通過訓(xùn)練信號估計出R-D的信道狀態(tài)信息CSI。
[0008] -種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適應(yīng)選擇的傳輸方 法，一個完整的通信過程在兩時隙內(nèi)完成：
[0009] 第一時隙，S節(jié)點向R節(jié)點發(fā)送待傳輸信號，同時D節(jié)點向R節(jié)點發(fā)送人工噪聲干 擾；第二時隙，R節(jié)點將第一時隙接收的信號放大后向D節(jié)點發(fā)送。
[0010] 作為優(yōu)選，具體步驟如下：
[0011] 步驟1 :s節(jié)點和R節(jié)點建立公共隨機碼本

【權(quán)利要求】
1. 一種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)，其特征在于，該通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括 一個發(fā)送信號源S節(jié)點、一個非可信中繼R節(jié)點和一個合法接收D節(jié)點，S節(jié)點、R節(jié)點和D 節(jié)點天線數(shù)目分別為M，1，M，R節(jié)點為放大轉(zhuǎn)發(fā)非受信中繼；采用有限反饋技術(shù)獲取S-R信 道的信道狀態(tài)信息CSI，通過訓(xùn)練信號估計出R-D的信道狀態(tài)信息CSI。
2. -種基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適應(yīng)選擇的傳輸方法， 其特征在于，一個完整的通信過程在兩時隙內(nèi)完成： 第一時隙，S節(jié)點向R節(jié)點發(fā)送待傳輸信號，同時D節(jié)點向R節(jié)點發(fā)送人工噪聲干擾； 第二時隙，R節(jié)點將第一時隙接收的信號放大后向D節(jié)點發(fā)送。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適 應(yīng)選擇的傳輸方法，其特征在于，具體步驟如下： 步驟1 :S節(jié)點和R節(jié)點建立公共隨機碼本
，其中N = 2B，B為反饋比特 數(shù)； 步驟2 :S節(jié)點向R節(jié)點發(fā)送訓(xùn)練信號，當(dāng)無訓(xùn)練估計誤差時，R節(jié)點將獲得的S-R 的信道系數(shù)hSK歸一化為信道方向信息
，根據(jù)最小弦距離方法，即可得到
^即將
估計為
，之后R節(jié)點將碼字序號η反饋給S節(jié)點； 步驟3 :第一個傳輸時隙，S節(jié)點和D節(jié)點同時采用最大比發(fā)送方式發(fā)送信號至R節(jié)點， S節(jié)點和D節(jié)點的波束成形向量分別為
R節(jié)點的接收信號
為 其中，Xl為S節(jié)點發(fā)送的是保密信號，χ2為D節(jié)點發(fā) ， 送的是人工噪聲信號，Ρ為平均發(fā)送功率，^為零均值復(fù)高斯噪聲變量； R節(jié)點的接收信號與干擾加噪聲比SINR為
步驟4:第二個傳輸時隙，R節(jié)點經(jīng)過放大后，發(fā)送信號至D節(jié)點，其中，中繼放大因子為 V II yj I，為最大化接收端信噪比，D節(jié)點采用最大比合并方式接收，則D節(jié)點進(jìn)行自干擾消 除后，接收信號為
D節(jié)點的接收信號與干擾加噪聲比SINR為
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適 應(yīng)選擇的傳輸方法，其特征在于，進(jìn)一步包括： 步驟5 :只假設(shè)R節(jié)點已知第一時隙R-D信道系數(shù)的統(tǒng)計平均
并完全已 知第二時隙R-D信道系數(shù)hKD，進(jìn)而推得系統(tǒng)安全中斷概率P { γ ' γ 2}的閉合表示式是關(guān)于 B的單調(diào)增函數(shù)，亦可推得目標(biāo)容量為Q的系統(tǒng)傳輸中斷概率
的閉合表達(dá) 式是關(guān)于B的單調(diào)減函數(shù)； 步驟6 :設(shè)存在一個閾值ε >0,當(dāng)目標(biāo)節(jié)點的接收信號與干擾加噪聲比51順值γ2〈 ε 時，系統(tǒng)傳輸中斷；而當(dāng)Υ2>ε時，系統(tǒng)則能夠正常接收，得到反饋比特數(shù)為：
步驟7 :系統(tǒng)自適應(yīng)的選擇Β。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于有限反饋的多天線非可信中繼系統(tǒng)的反饋比特數(shù)自適 應(yīng)選擇的傳輸方法，其特征在于，步驟1中，量化碼本中每個碼字丨是預(yù)先隨機生成的一個 Μ維的復(fù)單位向量。
【文檔編號】H04B7/06GK104104422SQ201410323124
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】趙睿, 吳亞峰, 賀玉成, 龔艷君 申請人:華僑大學(xué)