[發(fā)明專利]安全空間調(diào)制系統(tǒng)中基于連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼方法

在審

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• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN108964730A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 束鋒;王正旺;夏桂陽;秦耀璐;萬思明;桂林卿;陸錦輝;李駿
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456
• 代理公司: 江蘇樓沈律師事務(wù)所 32254
• 代理人: 沈勇

本發(fā)明提供了一種安全空間調(diào)制系統(tǒng)中基于連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼方法。針對空間調(diào)制系統(tǒng)中物理層安全傳輸問題，通過聯(lián)合發(fā)射人工噪聲信號和設(shè)計線性預(yù)編碼的方法，將人工噪聲信號投影到期望信道的零空間上，同時依照最大化近似的安全速率的準(zhǔn)則設(shè)計線性預(yù)編碼矩陣，建立最大化近似安全速率的優(yōu)化問題，對于該非凸的二次約束的二次規(guī)劃將原問題轉(zhuǎn)化成凸差規(guī)劃問題，然后使用一階泰勒級數(shù)展開和連續(xù)凸近似的方法迭代求解凸的子優(yōu)化問題，獲得原問題的近似最優(yōu)解。基于連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼算法，與傳統(tǒng)的基于梯度下降法的線性預(yù)編碼算法相比，其能實現(xiàn)更高的安全速率，因為梯度下降法可能會陷入局部最優(yōu)解。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及安全空間調(diào)制系統(tǒng)中基于連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼方法。

背景技術(shù)

近些年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端技術(shù)的飛速發(fā)展，高速無線通信的流量需求急劇增加。空前的移動數(shù)據(jù)需求極大地促使通信研究人員發(fā)展新的傳輸技術(shù)來提高頻譜效率，同時降低系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度。空間調(diào)制技術(shù)通過只激活一根發(fā)射天線，因此發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)被極大地簡化，同時該激活天線序號攜帶比特信息，一定程度上帶來頻譜效率的提升。

但是，無線通信信道具有開放性、廣播性，極易受到第三方的竊聽和干擾。隨著計算機(jī)的計算能力大幅度地提升，在協(xié)議層采用密鑰加密的安全傳輸方法并不能保證安全通信，竊聽者仍能通過破解密鑰竊取保密信息。物理層安全技術(shù)通過利用無線信道的差異性，使得竊聽者無法接收到保密信息，或無法從噪聲中有效恢復(fù)保密信息，從而確保了無線通信的安全性。空間調(diào)制系統(tǒng)通過天線序號傳輸部分比特信息，在某種程度上能進(jìn)一步提高安全性。

另一方面，線性預(yù)編碼技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于閉環(huán)通信系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的傳輸速率，降低誤碼率，以及提高安全速率等。本發(fā)明針對安全空間調(diào)制系統(tǒng)，采用基于的最大化連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼方法，實現(xiàn)提高系統(tǒng)的安全速率，使通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更安全的信息傳輸。傳統(tǒng)的空間調(diào)制系統(tǒng)中基于最大化安全速率的線性預(yù)編碼算法可以提高系統(tǒng)的安全速率，但由于安全速率并沒有閉式解，需要大量估計準(zhǔn)確的安全速率，因此該方法的計算復(fù)雜度非常高，在發(fā)射機(jī)的天線數(shù)目趨于大規(guī)模時，該方法在實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)。因此，本發(fā)明首先提出通過最大化近似安全速率的準(zhǔn)則，然后使用半正定松弛和連續(xù)凸近似的方法，有效地求解該優(yōu)化問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供安全空間調(diào)制系統(tǒng)中基于連續(xù)凸近似的線性預(yù)編碼方法，首先建模發(fā)射機(jī)-接收機(jī)信號模型，通過求解閉式的近似安全速率，蒙特卡洛仿真結(jié)果表明該近似是非常緊的，然后建立基于最大化近似安全速率的線性預(yù)編碼優(yōu)化問題，通過使用半正定松弛和連續(xù)凸近似技術(shù)獲得該優(yōu)化問題的近似解，該方法能夠顯著降低計算復(fù)雜度，同時提升安全速率性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括：發(fā)射機(jī)利用已知的信道狀態(tài)信息，在期望信道的零空間發(fā)射人工噪聲信號；同時，對發(fā)射的空間調(diào)制信號進(jìn)行線性預(yù)編碼，提高該系統(tǒng)的安全速率性能。在求解線性預(yù)編碼矩陣過程中，主要通過建立最大化近似安全速率優(yōu)化問題，使用半正定松弛和連續(xù)凸近似的方法，求得該優(yōu)化問題的近似最優(yōu)解。然后，根據(jù)空間調(diào)制的基本原理，將比特信息映射為調(diào)制符號和天線序號，生成空間調(diào)制信號后，將其與求解預(yù)編碼矩陣相乘，最后加上人工噪聲信號得到實際發(fā)射信號。另外，發(fā)射機(jī)需要將線性預(yù)編碼矩陣信息通過一個低速率的反饋信道反饋給期望接收機(jī)，以便期望用戶能正確譯碼，但竊聽用戶無法有效恢復(fù)有用信息，具體實施過程包括：

S1.利用已知的信道狀態(tài)信息，設(shè)計人工噪聲投影矩陣，產(chǎn)生隨機(jī)的人工噪聲向量，利用投影矩陣將人工噪聲投影到期望信道的零空間上；S2.利用空間調(diào)制的基本原理和已知的信道狀態(tài)信息，建模發(fā)射與接收信號理論模型，推導(dǎo)近似安全速率與線性預(yù)編碼矩陣的函數(shù)關(guān)系；S3.推導(dǎo)近似安全速率表達(dá)式，建立最大化近似安全速率，同時根據(jù)預(yù)編碼前后不改變平均發(fā)射功率的準(zhǔn)則，設(shè)定約束條件；S4.為解決上面的非凸的優(yōu)化問題，先使用半正定松弛技術(shù)，將原問題轉(zhuǎn)換成DC規(guī)劃問題，然后使用連續(xù)凸近似方法迭代求得該問題的近似最優(yōu)解。