基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，该方法提出MISO窃听信道鲁棒波束成形方案，在单组多播的情况下，利用二分法，半定松弛和Bernstein‑type不等式把带有中断概率约束的非凸问题转化为一系列的半定规划问题，借助高斯变量得到最优鲁棒波束成形设计，有效地提高通信系统的保密速率，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法
本专利技术属于无线通信中的物理层安全
，具体涉及一种基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法。
技术介绍
近年来，无线通信技术的持续发展使得人们可以随时随地接入通信网络。然而，无线传播的广播特性意味着传输范围内的所有节点都能够接收到信源发送的信号，合法用户的信息容易被窃听用户获取。因此，保证无线通信的安全传输变得尤为重要[1]。相对于传统的加密方法，物理层安全旨在利用无线通信的物理层特性，如噪声、衰落等，以信息论中的理论为基础保证无线通信的安全性。1975年Wyner首次定义了含噪的窃听信道模型，并且证明当窃听信道的信噪比比主信道低时可以实现完全的保密通信，并将不依靠密钥仍可以保证主信道信息可靠传输的速率定义为保密速率[2]。进入20世纪末，MIMO技术的出现极大推动了无线通信技术的发展，多天线技术为无线通信物理层安全带来了新的机遇与挑战，近年来，已有大量文献研究利用多天线技术提高物理层安全的保密速率[3]-[5]。对于多天线系统来讲，以保密速率为目标，对发射信号进行空间分布设计是研究热点。在此类设计中，波束成形技术是其中的重要设计参数。波束成形技术通过将信息流引向合法用户来提高通信效率。然而，波束成形的物理层安全传输性能很大程度上依赖于发射机获取的信道状态信息。在MISO窃听信道模型中，现有的研究大多基于发射机可以获取理想的主信道和窃听信道状态信息的假设[6]-[7]。但是，在实际应用中，由于信道的动态变化和信道估计误差、量化误差、反馈时延等因素的影响，发射端获取的信道状态信息均有可能出现误差[8]。很多研究者也考虑了发射端获取的合法用户的信道状态信息存在误差的情况。然而，现有的物理层安全鲁棒波束成形技术的研究多是从最差情况的角度出发来提高保密速率[9]-[10]。由于极端情况发生概率较低，这种设计方式显得较为保守，不能很好提高系统性能。因此针对非理想信道状态信息设计基于中断概率的鲁棒性物理层安全传输算法是很有必要的。然而，在大量用户的情况下，由于自由度有限的设计空间选择性的波束形成，传统的波束形成方法的性能通常会严重降低[11]。基于此，我们提出了一个新的方法以增加灵活性，单组波束形成的思想结合正交空时分组编码。在秩为一和秩为二的半确定性松弛技术解决方案中，传统方法只对秩为一的解最优。仿真结果显示所提出二维波束赋形方法结合半确定性松弛技术相比传统方法有很大改进。文等人[11]考虑了二维波束形成单组多播网络使用正交空时分组码。然而，关于发射端获取的信道状态信息，他们没有考虑如下这种情况：1)合法用户的信道状态信息存在误差；2)没有考虑物理层安全，不涉及窃听信道，以及信息安全速率。参考文献：[1]ChenX,LiF,XueZ,etal.ResearchontheSecurityofMISOWirelessChannelwithArtificialNoise[C]//InternationalConferenceonComputational&InformationSciences.2013:1533-1536.[2]WynerAD.Thewire-tapchannel[J].BellSystemTechnicalJournal,1975,54(8):1355-1387.[3]Zhang,Haiyang,Wang,etal.TheachievablesecrecyrateofMISOwiretapchannels[C]//WirelessCommunicationsandSignalProcessing(WCSP),2011InternationalConferenceon.IEEE,2011:1-4.[4]XiongQ,GongY,LiangYC.AchievingsecrecycapacityofMISOfadingwiretapchannelswithartificialnoise[J].2013:2452-2456.[5]Li,Q,Ma,etal.OptimalandRobustTransmitDesignsforMISOChannelSecrecybySemidefiniteProgramming[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2011,59(8):3799-3812.[6]NegiR,GoelS.Secretcommunicationusingartificialnoise[J].2005,3:1906-1910.[7]XiongQ,GongY,LiangYC.AchievingsecrecycapacityofMISOfadingwiretapchannelswithartificialnoise[J].2013:2452-2456.[8]Pascual-IserteA,PalomarDP,Perez-NeiraAI,etal.ArobustmaximinapproachforMIMOcommunicationswithimperfectchannelstateinformationbasedonconvexoptimization[J].SignalProcessingIEEETransactionson,2006,54(1):346-360.[9]ShiW,RitceyJ.RobustbeamformingforMISOwiretapchannelbyoptimizingtheworst-casesecrecycapacity[C]//2010:300-304.[10]LiJ,PetropuluAP.ExplicitSolutionofWorst-CaseSecrecyRateforMISOWiretapChannelsWithSphericalUncertainty[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2011,60(60):3892-3895.[11]WenX,LawKL,AlabedSJ,etal.Rank-twobeamformingforsingle-groupmulticastingnetworksusingOSTBC[C]//SensorArrayandMultichannelSignalProcessingWorkshop.IEEE,2012:69-72.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，通过鲁棒波束成形设计，二维鲁棒波束成形能有效地提高通信系统的保密速率，降低窃听用户的窃听能力，提高通信系统的安全性。本专利技术采用如下技术方案来实现的：基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，包括以下步骤：1)该方法针对的MISO窃听信道模型，信息发送端Alice在对发送的信息进行波束赋形时结合了Alamouti编码即二维波束赋形，而且Alice仅有合法用户Bobs和窃听用户Eve的估计信道状态信息；2)利用二分法、半定松弛和Berstain-type不等式将带有中断概率约束的最大化安全速率的非凸问题转化为一系列最小化发送端功率的问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：1)该方法针对的MISO窃听信道模型，信息发送端Alice在对发送的信息进行波束赋形时结合了Alamouti编码即二维波束赋形，而且Alice仅有合法用户Bobs和窃听用户Eve的估计信道状态信息；2)利用二分法、半定松弛和Berstain‑type不等式将带有中断概率约束的最大化安全速率的非凸问题转化为一系列最小化发送端功率的问题，以此来得到发送端波束赋形向量的协方差矩阵；3)根据发送端波束赋形向量的协方差矩阵的秩来求解波束赋形向量，当其秩为1或者2时，借助特征值分解的方法求解其二维波束赋形向量；当其秩大于2时，借助高斯随机变量法求解其二维波束赋形向量。

【技术特征摘要】
1.基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：1)该方法针对的MISO窃听信道模型，信息发送端Alice在对发送的信息进行波束赋形时结合了Alamouti编码即二维波束赋形，而且Alice仅有合法用户Bobs和窃听用户Eve的估计信道状态信息；2)利用二分法、半定松弛和Berstain-type不等式将带有中断概率约束的最大化安全速率的非凸问题转化为一系列最小化发送端功率的问题，以此来得到发送端波束赋形向量的协方差矩阵；3)根据发送端波束赋形向量的协方差矩阵的秩来求解波束赋形向量，当其秩为1或者2时，借助特征值分解的方法求解其二维波束赋形向量；当其秩大于2时，借助高斯随机变量法求解其二维波束赋形向量。2.根据权利要求1所述的基于中断概率约束的MISO窃听信道下二维鲁棒波束成形方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：Alice对连续两个时隙发送端发送的信号进行二维波束赋形设计，因为Alamouti编码的性质，Alice连续两个时隙发送的功率是一样的，所以Bobs和Eve连续两个时隙接收到的信息的信噪比也是一样的，引入中断概率的最大化安全速率如下式所示：Tr(W)≤P,rank(W)≤2(11)其中，R、W、hm、g、pm,out、P为保密速率、Alice的波束赋形向量的协方差矩阵、第m个Bob的信道状态信息、第m个Bob的噪声功率、Eve的信道状态信息、Eve的噪声功率、中断概率、传输功率；其中w1和w2是二维波束赋形列，w1,Nt是Alice的天线个数。3.根据权利要求2所述的基于中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐静，刘智英，孙黎，任品毅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61