基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。该方法为：利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，并从中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；利用零空间投影的方法去除正交约束条件；在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。本发明专利技术削弱了敏感的窃听者截获隐私信息的能力，提高了无线通信和网络的安全性，增强了通信系统的稳定性。

Beamforming method of minimum regularized transmit power based on Lagrange multiplier

【技术实现步骤摘要】
基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。
技术介绍
近年来，物理层安全已成为无线通信和网络研究的热点，一些针对物理层安全的技术也在逐渐完善，例如中继协作、全双工和方向调制。为了改善在衰落信道中的安全传输，提出了结合发射天线选择、隐私信息波束成形设计和人工噪声投影设计的空间调制方案。此外，方向调制近年来也吸引了许多研究。Daly等人提出了使用相控阵的方向调制技术，它的基本思想是通过对每根天线进行相移操作，发射信号会朝着一个给定的方向发送。Ding等人提出了一种在基带端合成方向调制信号的新思路，引入人为噪声并利用零空间投影的正交矢量方法来干扰窃听者对隐私信息的截获。Hu等人设计出低复杂度的人为噪声投影矩阵算法，并将其推广到不完美的信道状态信息场景。随后，应用于广播、组播、多播等场景的安全的鲁棒方向调制算法也相继被提出。方向调制可以直接应用于毫米波和无人机信道，为未来的无线网络提供了可替代的安全解决方案，尤其是在5G和无人机网络中。作为方向调制的一种增强安全性的版本，安全精准传输技术结合随机频率分集阵列和方向调制，解决了方向调制中波束形成只依赖于方向角而不依赖于距离的问题。该问题具体来说是当窃听者在期望方向的主瓣方向移动时，可以很容易地拦截到期望方向的隐私信息。安全精准无线传输技术建立了与范围角度相关的特性，并且在期望用户周围形成隐私信息的主峰，主峰外的隐私信息能量泄露由于人工噪声的原因会被大大降低，以致可以被忽略，保障了隐私信息的安全传输。为了降低安全精准无线传输接收机的复杂性，Shu等人提出了一种基于OFDM的随机子载波选择的安全精准无线传输结构，Lin等人通过阻塞连续上界极小化算法优化了频率偏移量来实现窃听者靠近用户的场景下的最大安全速率。进一步地，Qiu等人将Lin研究的单窃听者的应用场景扩展到多个窃听用户场景中，并引入了人为噪声，实现隐私信息的安全传输。然而，以上对于精准通信的安全研究都是从引入的人为噪声不干扰Bob的角度进行的，人工噪声对非法窃听者在统计意义上的干扰是分散的，无法实现高效的集中或者压制性干扰，所以干扰效果不够强。此时，如果窃听者接收机灵敏度高，检测能力强，仍然可以恢复隐私信息，从而达到窃听的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够提高无线通信和网络的安全性、增强通信稳定性的基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，包括以下步骤：步骤1、利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；步骤2、设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；步骤3、利用零空间投影的方法去除正交约束条件；步骤4、在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；步骤5、利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；步骤6、利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)结合随机子载波选择、方向调制和波束成形等技术，设计了能够保证精准干扰与精准通信的隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量，在期望方向形成一个隐私信息能量主峰，在窃听方向处形成一个人工噪声能量主峰，削弱了敏感的窃听者截获隐私信息的能力，提高了无线通信和网络的安全性；(2)隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量满足正交约束，即隐私几乎不或极少泄露到窃听区域，人工噪声也几乎不对期望用户造成干扰，能够保证期望用户对隐私信息的正确接收和判决；(3)利用零空间投影的方法去除正交约束条件，再利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量，得到隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量的闭式表达式，改善了系统性能，提升了误码率和安全速率方面的性能。附图说明图1为本专利技术基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法的流程示意图。图2为本专利技术实施例中最小正则化发射功率的波束成形算法、未正则化的最小发射功率波束成形算法和传统的等幅度波束成形算法的安全速率与信噪比变化曲线图。图3为本专利技术实施例中最小正则化发射功率的波束成形算法、未正则化的最小发射功率波束成形算法和传统的等幅度波束成形算法的误码率与信噪比变化曲线图。具体实施方式本专利技术基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，包括以下步骤：步骤1、利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；步骤2、设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；步骤3、利用零空间投影的方法去除正交约束条件；步骤4、在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；步骤5、利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；步骤6、利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。进一步地，步骤1所述的利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性，具体如下：步骤1.1、建立系统模型，其中基站Alice采用N阵元均匀线性阵列，期望用户Bob和窃听用户Eve均为单天线接收机，设定发射机和接收机之间的通道是视距信道，发射天线的归一化导向向量h(θ,R)为：其中，n＝0,1,2,…,N-1，[·]T表示转置操作，R、θ分别表示从接收机到发射机的角度、距离，ψn(θ,R)表示第n根天线相对于参考天线相位ψ0(θ,R)的相移；设定Bob和Eve相应的导向向量为h(θB,RB)和h(θE,RE)，其中θB和θE分别为Bob和Eve的方向角，RB、RE分别为Alice到Bob、Alice到Eve的距离；基带信号表示为：s＝vCMx+vANz(7)其中，x为隐私信息，z为人工噪声，分别满足平均功率约束即E[|x|2]＝1，E[|z|2]＝1；vCM和vAN分别为隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；经过信道的传输，在Bob处和Eve处的接收信号y(θB,RB)、y(θE,RE)分别为：其中，[·]H代表着共轭转置操作，分别为Alice到Bob、Alice到Eve的路径损耗系数，g0为参考距离；nB和nE为加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为σ2的高斯分布，即步骤1.2、构建线性OFDM子载波集Ssub为：Ssub＝{fm|fm＝fc+mΔf,m＝0,1,…,NS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；/n步骤2、设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；/n步骤3、利用零空间投影的方法去除正交约束条件；/n步骤4、在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；/n步骤5、利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；/n步骤6、利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；
步骤2、设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；
步骤3、利用零空间投影的方法去除正交约束条件；
步骤4、在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；
步骤5、利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；
步骤6、利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。


2.根据权利要求1所述的基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，其特征在于，步骤1所述的利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性，具体如下：
步骤1.1、建立系统模型，其中基站Alice采用N阵元均匀线性阵列，期望用户Bob和窃听用户Eve均为单天线接收机，设定发射机和接收机之间的通道是视距信道，发射天线的归一化导向向量h(θ,R)为：



其中，N＝0,1,…,N-1，[·]T表示转置操作，R、θ分别表示从接收机到发射机的角度、距离，ψn(θ,R)表示第n根天线相对于参考天线相位ψ0(θ,R)的相移；设定Bob和Eve相应的导向向量为h(θB,RB)和h(θE,RE)，其中θB和θE分别为Bob和Eve的方向角，RB、RE分别为Alice到Bob、Alice到Eve的距离；
基带信号表示为：
s＝vCMx+vANz(2)
其中，x为隐私信息，z为人工噪声，分别满足平均功率约束即E[|x|2]＝1，E[|z|2]＝1；vCM和vAN分别为隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；
经过信道的传输，在Bob处和Eve处的接收信号y(θB,RB)、y(θE,RE)分别为：






其中，[·]H代表着共轭转置操作，分别为Alice到Bob、Alice到Eve的路径损耗系数，g0为参考距离；nB和nE为加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为σ2的高斯分布，即
步骤1.2、构建线性OFDM子载波集Ssub为：
Ssub＝{fm|fm＝fc+mΔf,m＝0,1,…,NS-1}(5)
其中，NS为线性OFDM子载波集中的所有子载波数，fc为载波频率，Δf为子信道带宽，系统带宽定义为B＝NSΔf，频率增量和中心载波频率满足NSΔf≤fc；fm为线性OFDM子载波集中的子载波；
步骤1.3、从构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N个天线阵元，用于向Bob和Eve发送隐私信息和人为噪声；
设定fn为分配给第n根天线的子载波，fn∈Ssub，在原有载波频率的基础上，每个天线阵元的载波频率均添加了一个随机的频率增量，使得发射波束具有方向角-距离依赖性，从而使得隐私信息能够传到给定的位置，因此式(1)中：



其中，d为均匀线性阵列的每个元素间距，c为光速。


3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：束锋，朱玲玲，邹骏，沈桐，李嘉钰，王云天，刘林，桂林卿，陆锦辉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32