多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，在TDD通信模式下，N天线发信方Alice在接入时隙获取有误差的信道估计值

【技术实现步骤摘要】
多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法
本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈的方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展与智能终端设备的普及，人们对于无线通信过程中信息安全问题愈发重视。无线通信信号由于天然的开放性与无边界性很容易被截获窃取，是造成信息泄露问题的根源之一。因此，如何在不借助上层协议加密手段的前提下保证通信的有效性和可靠性成为解决安全隐患的首要问题。鉴于此，研究信息在物理层的安全传输成为研究的关键，而作为传统加密技术有力补充的物理层安全传输技术也获得了广泛的关注。对于传统的多发单收(MISO)系统而言，已被广泛接受的零空间人工噪声方案是一种行之有效的无线物理层安全传输方法。零空间人工噪声方案要求发信方在主信道方向发射承载保密信息的有用信号，同时在主信道的零空间中均匀发射人工噪声信号。通过降低发射端功率利用率的代价，人为地在合法信道和非法信道间引入传输性能的差距。然而，在实际的TDD系统中，由于信道估计的结果基于信道互易性展开，上行端使用接收信号对上行信道进行估计，同时使用上行信道的估计值作为下行信道的估计结果。由于估计不准确，上下行信道不完全互易，通道间误差等等在实际系统中客观存在的原因，会导致信道估计结果与真实信道响应存在差距。对于主瓣信号而言，这样的误差并不关键，主瓣方向的信号增益依旧有保障。然而对于人工噪声的方案来说，使用存在误差的信道估计结果生成的零空间权值进行传输，会在合法用户的方向上引入噪声。由于人工噪声零陷的特性，额外引入的噪声会对原本的特性产生重大的影响。传统的工程方案基于信道校准展开，致力于修正多天线收发通道间的误差来满足信道互易性的条件，来使得信道估计结果贴近信道真实响应。然而，传统的离线与在线校准，有线与无线校准，在实现方式上来说都需要额外的设备与较为繁琐的处理过程，校准的精度受限于现有设备的精度很难达到很高的水平，更是无法处理除通道间误差外的估计误差和信道慢变的影响，很难保证人工噪声对合法用户方向的信息传输不造成影响。以上事实说明在实际通信工程中，目前还缺乏真正简单有效、切合实际需求的MISO系统人工噪声权值的修正方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种发端分布式波束权值迭代及低比特反馈方法，能够在不使用额外设备和通信时隙的前提下，通过单参数反馈迭代的方式实现发射权值修正，并且提供一种低比特的量化反馈方案，增强人工噪声的安全传输性能，该方法计算复杂度较低，能够在满足通信实时性需求的前提下到达到修正权值的目的。为了实现上述目的，本专利技术发端分布式波束权值迭代及低比特反馈方法包括如下步骤：步骤1，N天线发信方Alice在根据接入信息与单天线接收端Bob建立通信链路，并通过接收上行导频信号获取初始的信道估计结果在MISO视距模型下，认为信道慢变，信道估计值为Nx1维列向量。根据已有信息生成主波束权值w和N-1组人工噪声权值qi(i＝1，...，N-1)，在发射信号时同时发送人工噪声对有用信号进行保护。步骤2，单天线接收端Bob在接收端包含人工噪声的信号后，根据已知导频信号计算出接收信号与已知信号的误差，并对误差进行差分量化。将量化后的结果反馈回Alice端。步骤3，N天线发信方Alice使用接收到的数据得到当前的误差值，根据误差值对主波束权值进行修正，并根据修正后的结果对主波束和人工噪声波束进行更新。使用更新过后的权值继续发送下一时隙的信号，并转到步骤2。本专利技术权值修正的方法所基于的通信系统包括一个N天线发信方Alice，一个单天线期望接收方Bob，两者通过接入构成通信对。在TDD通信模式下，N天线发信方Alice发送包含人工噪声的信号，在单天线接收端Bob收到的信号可以表示为其中，s(t)代表承载用于训练的已知信号，yi(t)代表人工噪声信号服从均值为零，能量为1的标准高斯分布，σi为第i个人工噪声yi(t)的复幅度，h为信道真实响应，w为发射有用信号的主波束，在初始的时候为信道估计值即qi为第i个人工噪声权值，取自于当前主波束权值的零空间则其又可以表示为qi＝U0(：，i)，n(t)为环境噪声。在视距环境下，认为信道真实响应h在迭代收敛的过程中保持不变。所述的步骤1为在接入时隙中使用信道估计值生成主波束的初始值w0，并相应生成零空间Ω0来得到人工噪声的权值qi，与传统人工噪声生成方案一致。所述的步骤2为接收端Bob在接收到信号根据已知信号，生成回传误差量化比特，具体的操作步骤如下：步骤2.1，单天线接收方Bob接收来自Alice端包含有人工噪声的导频信号，此时接收到的信号为对于Bob而言有用信号s(t)完全已知，由此可以得到接收信号中的误差项e(tk)＝x(t)-s(t)。根据接收信号的表达不难得到这里Λ0＝diag(σ1，σ2，..，σN-1)且Y(t)＝(y1(t)，y2(t)...，yN-1(t))。假设在某时隙下分别有已知信号s(tk)和误差项e(tk)，计算此时已知信号与误差项的互相关值Erk＝E{s(tk)e(tk)*}，并对其按有用信号s(tk)的能量进行归一化。步骤2.2，对归一化过后的复数Erk的实虚部分别进行Q格式量化，并对量化后的比特序列进行L位截位。L代表实部或者虚部在不包括符号位的情况下，所取的有效比特长度，具体取值取决于所引入的噪声与环境信噪比SNR。根据量化长度与等效量化噪声的粗算结果，当L＞SNR/6时，可以认为引入的量化噪声低于环境，对之后的收敛性能没有影响。实部/虚部截位后的误差比特序列为Ek[l]，与前一时刻的比特序列Ek-1[l]，做差分得到的比特序列为Dk[l]。由于算法的收敛性质，在迭代的过程中差分比特的高位数字会很快变为0并在之后的迭代过程中不再变化。若此时差分比特序列的有效位数在低位M位，则截取后M位进行传输。M的选取规则依据初始权值的误差Er0决定，后M位数的最大表示值dmax要与Er0相当。对于差分数据为超过后M为表达范围的直接取序列，当次回传即可。对于差分数据超出后M位表达范围的序列，遵循以下规则进行拆分，在多个时隙依次反馈，且在多次反馈的过程中不再进行额外的计算与量化：当某一次回传的差分序列的实部或者虚部数据值大于后M位表达的最大值dmax，将其数值较大者Q拆分为Q＝n*dmax+q，其中q为能够用后M为表达的数值。在之后回传的过程中n次回传M位全1序列，和1次传输q对应的序列，占用n+1次回传，使接收端的对于差分数值的处理始终保持加法操作。实虚部的另一方按相同方式拆分，补0传输。值得注意的是，因为全1序列在次数有特殊含义，当误差数据刚好对应全1序列且没有超过表达范围时，将对应差分序列末尾位修改为0。步骤2.3，单天线接收方Bob将生成的实虚部差分比特序列通过上行时隙进行回传。所述的步骤3为N天线发信方Alice在接收到Bob端的差分比特序列后，得到误差数据Erk并据此计算下一时隙的主波束权值与人工噪声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，N天线发信方Alice在根据接入信息与单天线接收端Bob建立通信链路，并通过接收上行导频信号获取初始的信道估计结果

【技术特征摘要】
1.一种多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，N天线发信方Alice在根据接入信息与单天线接收端Bob建立通信链路，并通过接收上行导频信号获取初始的信道估计结果在MISO视距模型下，认为信道慢变，信道估计值为Nx1维列向量，根据已有信息生成主波束权值w和N-1组人工噪声权值qi(i＝1，...，N-1)，在发射信号时同时发送人工噪声对有用信号进行保护；
步骤2，单天线接收端Bob在接收端包含人工噪声的信号后，根据已知导频信号计算出接收信号与已知信号的误差，并对误差进行差分量化，将量化后的结果反馈回Alice端；
步骤3，N天线发信方Alice使用接收到的数据得到当前的误差值，根据误差值对主波束权值进行修正，并根据修正后的结果对主波束和人工噪声波束进行更新，使用更新过后的权值继续发送下一时隙的信号。


2.根据权利要求1所述多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，其特征在于：通信系统包括一个N天线发信方Alice、一个单天线期望接收方Bob；
在TDD通信模式下，N天线发信方Alice发送包含人工噪声的信号，在单天线接收端Bob收到的信号可以表示为其中，s(t)代表承载用于训练的已知信号，yi(t)代表人工噪声信号服从均值为零，能量为1的标准高斯分布，σi为第i个人工噪声yi(t)的复幅度，h为信道真实响应，w为发射有用信号的主波束，在初始的时候为信道估计值即qi为第i个人工噪声权值，取自于当前主波束权值的零空间则其又可以表示为qi＝U0(：，i)，n(t)为环境噪声，在视距环境下，认为信道真实响应h在迭代收敛的过程中保持不变。


3.根据权利要求1所述多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，其特征在于：步骤2和步骤3在通过反馈误差来修正权值并将误差信息使用少量比特进行反馈。


4.根据权利要求3所述多发单收系统的人工噪声权值迭代修正及低比特反馈方法，其特征在于，通过反馈误差数据对权值进行修正的，具体操作步骤如下：
步骤2.1，单天线接收方Bob接收来自Alice端包含有人工噪声的导频信号，此时接收到的信号为对于Bob而言有用信号s(t)完全已知，由此可以得到接收信号中的误差项e(tk)＝x(t)-s(t)，根据接收信号的表达不难得到这里Λ0＝diag(σ1，σ2，..，σN-1)且Y(t)＝(y1(t)，y2(t)...，yN-1(t))；
假设在某时隙下分别有已知信号s(tk)和误差项e(tk)，计算此时已知信号与误差项的互相关值Erk＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文杰，张冉，洪玺，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61