多天線安全通信系統(tǒng)中基于信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多天線安全通信系統(tǒng)中的預(yù)編碼傳輸方法，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種多天 線安全通信系統(tǒng)中基于信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)性，無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性受到研宄者越來(lái)越廣泛的關(guān) 注。而傳統(tǒng)的安全技術(shù)主要是采用密碼學(xué)技術(shù)，但其復(fù)雜度比較高。為此，有關(guān)學(xué)者們從信 息論的角度提出了物理層安全技術(shù)。
[0003] 從物理層安全技術(shù)可知，當(dāng)合法用戶(hù)的信道質(zhì)量好于竊聽(tīng)用戶(hù)的信道時(shí)，安全通 信系統(tǒng)的速率大于〇。但在實(shí)際通信系統(tǒng)中，并不能保證上述的條件一定成立。為此，研宄 者們提出多種技術(shù)來(lái)克服這種情況，其中一項(xiàng)主要技術(shù)是采用人工噪聲（AN)干擾竊聽(tīng)用 戶(hù)的信道質(zhì)量。
[0004] 然而，人工噪聲技術(shù)能夠最大限度地提高系統(tǒng)容量需要得到基站到合法用戶(hù)的完 美信道信息。而在實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)，特別是在頻分雙工（FDD)系統(tǒng)中，無(wú)論是接收端 還是發(fā)送端都很難得到完美信道信息。接收端用信道估計(jì)方法得到信道的估計(jì)值，然后用 通過(guò)反饋信道將估計(jì)的信道信息反饋給發(fā)送端。在實(shí)際系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送正交導(dǎo)頻信號(hào)， 接收端根據(jù)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，運(yùn)用最小均方誤差（MMSE)或線性最小均方誤差（LMMSE)等 方法來(lái)估計(jì)出信道信息。另外，實(shí)際系統(tǒng)中為了減少反饋量，接收端通常采用有限反饋方法 將信道信息估計(jì)值反饋給發(fā)送端，即接收端將估計(jì)的信道信息進(jìn)行量化，然后將量化后的 信息通過(guò)有限的比特反饋給發(fā)送端，最后發(fā)送端根據(jù)反饋信息恢復(fù)出估計(jì)信道信息的量化 值。
[0005] 在實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng)中，通常采用信道估計(jì)和有限反饋技術(shù)得到信道信息，從而 帶來(lái)信道估計(jì)誤差與量化誤差，并會(huì)對(duì)無(wú)線中繼系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，降低中繼系統(tǒng)的容量。 因此，我們需要評(píng)估同時(shí)存在信道估計(jì)誤差與量化誤差時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成的速率損失，并據(jù)此 設(shè)計(jì)有限反饋策略，以獲得可控的速率損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種多天線安全通信系統(tǒng)中基于 信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法，以獲得可控的速率損失。
[0007] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] 一種多天線安全通信系統(tǒng)中基于信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法，該傳輸方法包括 以下步驟：
[0009] 步驟1)基站配置M根天線，合法用戶(hù)和竊聽(tīng)者均配置單天線，基站至合法用戶(hù)的 完美信道向量為h，基站至竊聽(tīng)者的完美信道向量為g ;其中，M為正整數(shù)；
[0010] 步驟2)合法用戶(hù)通過(guò)基站發(fā)送的XM個(gè)正交導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)基站至合法用戶(hù)的信 道，得到估計(jì)信道向量6;其中，a表示11所對(duì)應(yīng)的每根天線進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)所采用的導(dǎo)頻 符號(hào)數(shù)目；合法用戶(hù)依據(jù)式（1)計(jì)算出信道量化所需比特?cái)?shù)B:
[0011] B = (M-l) [l0g2C-l0g2U-D)] 式（1)
[0012] 其中，f =/) + (1 - cr:)，Z) = (1 - <r:)+舍(7: + (Af - l)<^2cr: +1，< 表不;合 法用戶(hù)的信道估計(jì)誤差，（^表示有用信號(hào)的功率，巾aP，巾2表示人工噪 聲的功率，也=11^11，P表示基站的信號(hào)總發(fā)送功率，a表示基站的有用信號(hào)功率的分- M-1 配因子，安全通信系統(tǒng)的速率損失閾值為l〇g2bbps/Hz ;
[0013] 步驟3)合法用戶(hù)根據(jù)式⑴計(jì)算出量化所需比特?cái)?shù)B，用長(zhǎng)度為2B的碼本量 化歸一化向量fi/fl，得到量化值在碼本中的索引號(hào)，符號(hào)I I I I表示向量的模，合法用戶(hù) 將量化的索引號(hào)通過(guò)上行信道反饋給基站，基站根據(jù)索引號(hào)從碼本中得到向量的量 化值從而得到有用信號(hào)的發(fā)送預(yù)編碼向量f和人工噪聲的發(fā)送預(yù)編碼矩陣W，其中， f = i!; w = i^，矩陣L的所有列組成了向量&零空間的標(biāo)準(zhǔn)正交基；
[0014] 步驟4)基站得到f和W后，發(fā)送信號(hào)向量為x = $fc + 7^Wa， 其中S為有用信號(hào)，a為人工噪聲，&= a P，矣~合法用戶(hù)的接 收信號(hào)為j>fe，A = + + ;竊聽(tīng)用戶(hù)的接收信號(hào)為叉，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多天線安全通信系統(tǒng)中基于信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法，其特征在于，該傳 輸方法包括以下步驟： 步驟1)基站配置M根天線，合法用戶(hù)和竊聽(tīng)者均配置單天線，基站至合法用戶(hù)的完美 信道向量為h，基站至竊聽(tīng)者的完美信道向量為g ;其中，M為正整數(shù)； 步驟2)合法用戶(hù)通過(guò)基站發(fā)送的λΜ個(gè)正交導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)基站至合法用戶(hù)的信道，得 到估計(jì)信道向量Ii;其中，λ表示fi,所對(duì)應(yīng)的每根天線進(jìn)行信道估計(jì)時(shí)所采用的導(dǎo)頻符號(hào) 數(shù)目；合法用戶(hù)依據(jù)式（1)計(jì)算出信道量化所需比特?cái)?shù)B : B = (M-I) [Iog2 ξ-Iog2 ( ξ-D)]式（I) 其中，
，σ丨表不合法用 戶(hù)的信道估計(jì)誤差，
表示有用信號(hào)的功率，Φ α Ρ，φ 2表示人工噪聲的 功率：
，P表示基站的信號(hào)總發(fā)送功率，α表示基站的有用信號(hào)功率的分配因 子，安全通信系統(tǒng)的速率損失閾值為l〇g2b bps/Hz ; 步驟3)合法用戶(hù)根據(jù)式（1)計(jì)算出量化所需比特?cái)?shù)B，用長(zhǎng)度為2B的碼本量化歸 一化向量得到量化值在碼本中的索引號(hào)，符號(hào)I I I I表示向量的模，合法用戶(hù)將 量化的索引號(hào)通過(guò)上行信道反饋給基站，基站根據(jù)索引號(hào)從碼本中得到向量?/||??||的量 化值?，從而得到有用信號(hào)的發(fā)送預(yù)編碼向量f和人工噪聲的發(fā)送預(yù)編碼矩陣W，其中， f = G : W = ，矩陣?ιχ啲所有列組成了向量&零空間的標(biāo)準(zhǔn)正交基； 步驟4)基站得到f和W后，發(fā)送信號(hào)向量為
中s為有用信號(hào)，a為人工噪聲，Φ i= α P，
合法用戶(hù)的接收 信號(hào)為凡，
；竊聽(tīng)用戶(hù)的接收信號(hào)為又，
，其中，Zb為合法用戶(hù)的噪聲，％為竊聽(tīng)用戶(hù)的噪聲，上標(biāo)H 表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多天線安全通信系統(tǒng)中基于信道估計(jì)的有限反饋傳輸方法，包括：首先，合法用戶(hù)利用信道估計(jì)技術(shù)估計(jì)出基站到合法用戶(hù)的信道向量，然后根據(jù)信道估計(jì)誤差、基站天線數(shù)目、信號(hào)的發(fā)送功率和速率損失閾值計(jì)算出反饋信道信息所需比特?cái)?shù)。其次，合法用戶(hù)將基站至其的信道信息進(jìn)行歸一化，接著根據(jù)已計(jì)算的比特?cái)?shù)，采用隨機(jī)向量量化方法量化歸一化的信道信息，并將量化索引號(hào)分別反饋給基站。最后，基站利用索引號(hào)從碼本簿中得到量化的發(fā)送預(yù)編向量。本發(fā)明由于同時(shí)考慮信道估計(jì)與有限反饋，故本發(fā)明的安全系統(tǒng)性能更貼近真實(shí)系統(tǒng)，有更高的實(shí)用價(jià)值。
【IPC分類(lèi)】H04B7-08, H04L25-02, H04B7-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104539337
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410830926
【發(fā)明人】許威, 彭張節(jié), 趙春明
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日