[發明專利]安全空間調制中基于最大化近似安全速率的預編碼方法

在審

• 申請號: 201810778653.0
• 申請日: 2018-07-16
• 公開（公告）號: CN108988922A
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發明（設計）人: 束鋒;王正旺;李坤;夏桂陽;秦耀璐;萬思明;桂林卿;陸錦輝;李駿
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04B17/309;H04B17/391
• 代理公司: 江蘇樓沈律師事務所 32254
• 代理人: 沈勇

本發明提供了一種安全空間調制系統中基于最大化近似安全速率的線性預編碼方法。通過聯合發射人工噪聲信號和設計線性預編碼，將人工噪聲信號投影到期望用戶信道的零空間上，不影響期望用戶的正常譯碼，但對竊聽用戶的譯碼產生干擾，同時依照最大化近似安全速率準則設計線性預編碼。對于最大化近似安全速率的優化問題，其為非凸的二次約束的二次規劃問題，通過推導其目標函數的梯度，然后使用梯度下降法迭代求解，該方法確定收斂到局部最優解，從而可以提高了系統的安全速率性能。本方法與傳統的基于最大化安全速率的方法相比，在計算復雜度方面具有較大的優勢，同時獲得了接近傳統方法的安全速率性能。

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及安全空間調制系統中基于最大化近似安全速率的線性預編碼方法。

背景技術

近些年來，隨著移動互聯網和智能終端技術的飛速發展，高速無線通信的流量需求急劇增加。空前的移動數據需求極大地促使通信研究人員發展新的傳輸技術來提高頻譜效率，同時降低系統的設計復雜度。空間調制技術通過只激活一根發射天線，因此發射機結構被極大地簡化，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。

然而，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。隨著計算機的計算能力大幅度地提升，在協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保密信息，從而確保了無線通信的安全性。空間調制系統通過天線序號傳輸部分比特信息，在某種程度上能進一步提高安全性。

針對安全空間調制系統，采用基于物理層安全的線性預編碼方法，實現提高系統的安全速率，從而在不增加系統的硬件配置的情況下，使通信網絡實現更安全的信息傳輸。傳統的空間調制系統中基于最大化安全速率的線性預編碼算法可以提高系統的安全速率，但由于安全速率并沒有閉式解，需要大量估計準確的安全速率，因此該方法的計算復雜度非常高，在發射機的天線數目趨于大規模時，該方法在實際應用中難以實現。因此，本發明提出安全空間調制系統中低復雜度的基于最大化近似安全速率的線性預編碼算法，同時結合零空間人工噪聲投影的方法，使得安全速率得以提升，從物理層上實現了信息安全可靠地傳輸。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供安全空間調制系統中基于最大化近似安全速率的線性預編碼方法，首先建模發射機-接收機信號模型，通過求解閉式的近似安全速率，蒙特卡洛仿真結果表明該近似是非常緊的。建立基于最大化近似安全速率的線性預編碼優化問題，通過求解目標函數的梯度，使用梯度下降法有效求解上述優化問題。與傳統的基于最大化安全速率的線性預編碼方法相比，該方法能夠顯著降低計算復雜度。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案包括：發射機利用已知的信道狀態信息，在期望信道的零空間發射人工噪聲信號；同時，對發射的空間調制信號進行線性預編碼，提高該系統的安全速率性能。在求解線性預編碼矩陣過程中，主要通過建立最大化近似安全速率優化問題，使用梯度下降法求解該優化問題，得到最優的線性預編碼矩陣。然后，根據空間調制的基本原理，將比特信息映射為調制符號和天線序號，生成空間調制信號后，將其與求解預編碼矩陣相乘，最后加上人工噪聲信號得到實際發射信號。另外，發射機需要將線性預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，以便期望用戶能正確譯碼，但竊聽用戶無法有效恢復有用信息，具體實施過程包括：