一种多天线不可信中继网络中的波束成形方法技术

本发明专利技术提供了一种多天线不可信中继网络中的波束成形方法，设计预编码矩阵FS和FD，以保证不可信中继节点R不能窃听有用信号，且使得目的节点D可以解码出有用信号，以此来提高网络的可达安全速率。本发明专利技术引入多天线技术，研究多天线不可信中继网络的预编码设计方案，通过多维信号处理，将发射信号对齐到有用信号空间并正交到协作干扰空间，有效聚焦发射信号和协作干扰信号，改善协作干扰效果，提高安全速率。

A beamforming method in a multi antenna untrusted relay network

The present invention provides a method for forming a multi antenna untrusted relay network in beam design pre encoding matrix FS and FD, in order to untrusted relay node R can not eavesdrop useful signal guarantee, and the destination node can decode the D signal, so as to improve the network security up to full rate. The invention introduces multi antenna technology, pre encoding design scheme of multi antenna untrusted relay network, through multidimensional signal processing, the transmitted signal is aligned to the useful signal space and orthogonal to collaborative space interference, effectively focusing transmitting signal and interference signal to improve the coordination of cooperation, interference effects, improve the safety rate.

【技术实现步骤摘要】
一种多天线不可信中继网络中的波束成形方法
本专利技术涉及一种具有信道选择的波束成形技术。
技术介绍
由于无线通信的开放性，使无线信号很容易被窃听、篡改和干扰，从而给用户的安全通信带来极大的威胁。因此，无线网络的安全性问题被越来越频繁的提及，也受到了越来越多的关注。近年来，随着无线通信中物理层技术的不断发展，在物理层实现安全信息传输逐渐积累了大量的技术基础，而且改善无线通信的安全性问题变得越来越迫切，因此，物理层安全(Physical-LayerSecurity)在理论研究与实际应用上都得到了广泛的重视。传统的物理层安全研究多以单天线为切入点，随着通信资源的短缺和多天线技术的发展，将多天线技术引入物理层安全模型引起了越来越多的关注。实际应用系统中一般配置多个天线，为系统优化提供更大的自由度和灵活性。然而，由于多天线的引入，系统的优化复杂度急剧增加。因此，研究多天线不可信网络的预编码技术，设计高效的优化方法和算法，对有效利用引入的自由度、提升系统总安全速率有着重要的意义。文献1“TheSecrecyCapacityoftheMIMOWiretapChannel[IEEEInternationalSymposiumonInformationTheory,2008，57(8)：524-528].”针对高斯MIMO窃听信道模型，研究了发射端波束成形，将承载有用信息的信号指向合法接收机的方向，同时将人工噪声指向窃听者，从而干扰窃听者对有用信息的窃听、干扰。但是，实际通信过程中由于信道衰落和噪声的影响，仅仅考虑发射端和接收端之间的直接链路很难满足通信要求，对于实际的长距离通信需要通过中继节点进行转发。该文献中假设外部窃听者是安全的隐患，而中继节点本身是可信的。文献2“PhysicalLayerSecurityofMaximalRatioCombininginTwo-WaveWithDiffusePowerFadingChannels[IEEETransactionsonInformationForensics&Security,2014,9(2)：247-258].”研究了一种针对窃听者的多天线放大-转发(Amplify-and-Forward,AF)中继方案，提出一种基于源节点和中继节点的联合波束成形方案来最大化可达安全速率。该文献只考虑了信源是单天线、中继和目的节点是多天线的情况。另外，该文献中假设外部窃听者是安全的隐患，而中继节点本身是可信的。文献3“SecureGreenCommunicationviaUntrustedTwo-WayRelaying:APhysicalLayerApproach[IEEETransactionsonCommunications,2016,64(5):1861-1874].”研究单天线不可信双向中继网络能效安全通信技术，联合优化所有节点的功率分配，在能量受限条件下最大化安全能效。该文献只考虑信源、信宿和中继均为单天线场景，并没有考虑信源、信宿、中继是多天线的情况。文献4“Destination-AidedCooperativeJammingforDual-HopAmplify-and-ForwardMIMOUntrustedRelaySystems[IEEETransactionsonVehicularTechnology,2016,65(9)：7274-7284].”针对不可信中继节点，通过联合设计源节点、中继节点和目的节点的预编码矩阵来最大化安全速率，并提出一种迭代优化算法来求解非凸问题。该文献虽然在信源、目的节点和中继节点均配置多天线，但是，信源传输1个维度的符号，没有充分利用多天线带来的自由度，该设置具有较大的特殊性。综上所述，多天线引入的空间自由度有助于聚焦发射信号和协作干扰信号，但是，优化设计复杂度也急剧增加。以最大化安全速率如何寻求简单有效的信道矩阵分解方法，构造预编码矩阵，成为研究的重点和难点。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种具有信道选择的波束成形技术，优化设计预编矩阵FS和FD，提高系统安全速率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：在源节点S、不可信中继节点R和目的节点D构成的三节点多天线不可信中继网络中，S和D都配备有Nt根天线，R配备有Nr根天线，且Nt＜Nr；第一个时隙，S向R发送有用信号xS，同时D向R发射具有相同频带的协作干扰信号xJ，中继节点R接收到的信号向量yR＝HxS+GxJ+nR，其中，H、G分别表示从S到R和从D到R的MIMO信道矩阵；表示在R处的加性复高斯噪声向量，每个天线接收到的噪声均值为0，方差为σR2；是一个Nr维的单位矩阵；考虑S和D的发射预编码矩阵为FS和FD，且有用符号向量为sS、干扰符号向量为sJ，则xS＝FS×sS，xJ＝FD×sJ；进而，yR＝HFSsS+GFDsJ+nR；设定S的发射功率PS和D的发射功率PD均为P，且S和D处的每个符号也是等功率的，则R处的总干扰加噪声的协方差矩阵不可信中继节点R处的瞬时速率其中，L为有用符号维度；在第二个时隙，中继节点R将接收到的信号转发给目的节点D；设中继放大矩阵为IR，在目的节点D处接收到的信号向量是目的节点D处的加性复高斯噪声向量，每个天线接收到的噪声均值为0，方差为σD2；是一个Nt维的单位矩阵；D的总噪声协方差矩阵表示为则D处的瞬时速率表示为其中，定义作为SR的最优噪声协方差矩阵，采用广义奇异值分解对SD和进行联合分解，得到其中，和是酉矩阵，和是对角矩阵，是SD和的公共非奇异矩阵，的奇异值以递增的顺序排列，∑R的对角线元素ηR，1，...，ηR，Nt以递减的顺序排列；假设若有ηD，M＞ηR，M且ηD，(M-1)≤ηR，(M-1)，优化设计源节点S的发射预编码矩阵优化设计目的节点D的发射预编码矩阵FD＝GH。本专利技术的有益效果是：引入多天线技术，研究多天线不可信中继网络的预编码设计方案，通过多维信号处理，将发射信号对齐到有用信号空间并正交到协作干扰空间，有效聚焦发射信号和协作干扰信号，改善协作干扰效果，提高安全速率。附图说明图1是多天线不可信中继网络通信模型图；图2是在Nr＝8和Nt＝5、6时多天线不可信中继网络可达安全速率；图3是在Nt＝6和Nr＝8、10时多天线不可信中继网络可达安全速率。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术具体研究多天线不可信中继网络的预编码优化设计问题，将单天线扩展到多天线，主要考虑信源、信宿、中继均为多天线，且中继节点本身是不可信的情况，配置多天线，引入空间自由度。针对多天线不可信中继网络，开展基于信号对齐的预编码优化设计，最大化系统安全速率。本专利技术设计预编码矩阵FS和FD，以保证不可信中继节点R不能窃听有用信号，且使得目的节点D可以解码出有用信号，以此来提高网络的可达安全速率。本专利技术所研究的信道模型为具有三个节点的多天线不可信中继网络，其通信原理框图如图1所示。该模型由一个源节点S、不可信中继节点R和一个目的节点D组成，其中S和D都配备有Nt根天线，而R配备有Nr根天线，且Nt＜Nr。由于衰落等原因，S和D之间无法直接通信，需要通过不可信中继节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多天线不可信中继网络中的波束成形方法，其特征在于包括下述步骤：在源节点S、不可信中继节点R和目的节点D构成的三节点多天线不可信中继网络中，S和D都配备有Nt根天线，R配备有Nr根天线，且Nt＜Nr；第一个时隙，S向R发送有用信号xS，同时D向R发射具有相同频带的协作干扰信号xJ，中继节点R接收到的信号向量yR＝HxS+GxJ+nR，其中，H、G分别表示从S到R和从D到R的MIMO信道矩阵；

【技术特征摘要】
1.一种多天线不可信中继网络中的波束成形方法，其特征在于包括下述步骤：在源节点S、不可信中继节点R和目的节点D构成的三节点多天线不可信中继网络中，S和D都配备有Nt根天线，R配备有Nr根天线，且Nt＜Nr；第一个时隙，S向R发送有用信号xS，同时D向R发射具有相同频带的协作干扰信号xJ，中继节点R接收到的信号向量yR＝HxS+GxJ+nR，其中，H、G分别表示从S到R和从D到R的MIMO信道矩阵；表示在R处的加性复高斯噪声向量，每个天线接收到的噪声均值为0，方差为σR2；是一个Nr维的单位矩阵；考虑S和D的发射预编码矩阵为FS和FD，且有用符号向量为sS、干扰符号向量为sJ，则xS＝FS×sS，xJ＝FD×sJ；进而，yR＝HFSsS+GFDsJ+nR；设定S的发射功率PS和D的发射功率PD均为P，且S和D处的每个符号也是等功率的，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚如贵，陆亚南，徐菲，吴啟洪，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61