一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，装备多根天线的合法节点工作在全双工模式，在接收信息的同时不仅向对方发送信息信号，还协同发送人工噪声对窃听节点进行干扰。针对合法信道、窃听信道的瞬时信道状态信息，构造以最大化系统保密和速率为目标的优化问题。利用矩阵行列式分解对保密和速率的表达式进行转化，通过矩阵的一阶泰勒展开得到保密和速率的近似值，并将其替换原优化问题中的目标函数，通过DC规划算法获取最优的信息信号以及人工噪声的预编码矩阵。本发明专利技术考虑了全双工自干扰的影响，可根据信道状态信息的瞬时值动态分配信息信号和人工噪声功率，提高系统保密传输能力。

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法
本专利技术涉及信息通信领域，具体是涉及优化多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)全双工双向安全通信系统中的信息信号和人工噪声的预编码矩阵。
技术介绍
天线技术和信号处理技术的进步，使得无线节点在同一频段同时收发信号的全双工通信成为可能。因为同时同频进行信号的收发，全双工节点处的发送信号强度远高于接收信号强度，发送信号会对信号接收通道造成强烈的自干扰，自干扰的抑制水平是决定全双工通信系统性能的关键问题。文献[ForoozanfardE,FranekO,TatomirescuA,etal.Full-duplexMIMOsystembasedonantennacancellationtechnique[J].ElectronicsLetters,2014,50(16):1116-1117.]提出通过天线选择、波束选择、零空间投影等方法进行自干扰消除，实现了35dB的自干扰抑制度。结合天线分离、模拟信号处理、数字信号处理等自干扰消除方式，构造与自干扰信号反相位的抵消信号，可实现自干扰抑制度在40～110dB范围内。如能将残余自干扰功率控制在和信道噪声功率相近的数量级上，采用全双工传输就能有效地提高系统的频谱效率，倍增系统容量。物理层安全以信息论为基础，利用无线信道的随机性、时变性、空间唯一性等特性实现信息的安全传输，为解决无线通信系统的安全问题提供了新的途径。在物理层安全通信系统的模型中，至少存在三类节点：发送节点、合法接收节点以及窃听节点。系统的安全性能可用可达保密速率、保密中断概率等指标来衡量。当合法信道的传输质量优于窃听信道时，通过采用安全信道编码，可以实现系统的安全通信，且两者之间的质量差异越大，安全传输性能越优异。多天线波束赋形、人工噪声等技术是增大合法信道相对于窃听信道的传输质量优势、实现安全通信的重要技术手段。文献[KhandaniAK.Two-way(truefull-duplex)Wireless[C].201313thCanadianWorkshoponInformationTheory,Toronto,ON,2013,pp.33-38.]指出，全双工通信系统中通信双方同时同频发送信号，窃听节点接收到的信号是合法通信双方发送信号的叠加，分离需要极大的解码复杂度，有利于增强安全性能。目前，已有一些文献对在物理层利用全双工技术来提高系统的安全性能进行了研究。目的节点工作在全双工模式，在接收信息的同时发送人工噪声干扰窃听节点是研究较多的方案。如文献[KimJ,KimJ,LeeJ,etal.Physical-layersecurityagainstsmarteavesdroppers:exploitingfull-duplexreceivers[J].IEEEAccess,2018,6:32945-32957.]研究在主动窃听和被动窃听两种场景下，发送节点与全双工接收节点同时发送干扰的物理层安全方案，通过优化干扰信号功率，提高保密性能。除直连传输系统外，全双工中继安全通信系统也是受到广泛关注的系统模型，不少文献对该模型下提高安全性能的方案进行了研究。文献[ChenG,GongY,XiaoP,etal.Physicallayernetworksecurityinthefull-duplexrelaysystem[J].IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,2015,10(3):574-583.]考虑功率受限的多天线中继协作通信系统，采用两阶段中继传输协议，第一阶段全双工中继在接收信息的同时发送人工噪声干扰窃听者，文献对信号功率和人工噪声功率的分配方案进行了分析和讨论。文献[CaoY,ZhaoN,PanG,etal.SecrecyanalysisforcooperativeNOMAnetworkswithmulti-antennafull-duplexrelay[J].IEEETransactionsonCommunications,2019,67(8):5574-5587.]考虑两用户两跳非正交多址传输系统模型，多天线全双工中继采用解码转发协议，第一阶段全双工中继在接收信息的同时发送干扰，第二阶段中继在转发信息的同时基站发送干扰，文献推导了小区中心和边缘用户保密中断概率的解析表达式，并分析了发射功率较高情况下的渐进保密中断概率。应用全双工技术提高物理层安全性能的多数研究都考虑单向通信的情形，即全双工的接收端发送的人工噪声，而不是信息信号。实际上，收发双方都工作在全双工模式进行双向通信更有研究价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于给出一种MIMO全双工双向安全通信系统中，合法节点在接收信息的同时向对方发送保密信息，并协同发送人工噪声的物理层安全方案的预编码矩阵设计方法，该方法综合考虑全双工自干扰功率的影响，根据信道状态信息的瞬时值动态分配人工噪声和信息信号的功率，实现保密和速率的最大化。为了实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：构造以最大化系统保密和速率为目标的优化问题，并利用矩阵分解对保密和速率进行转化，利用矩阵的一阶泰勒展开对保密和速率进行近似，将优化目标转化为最大化系统保密和速率的近似值，通过DC规划算法获取最优的信息信号以及人工噪声的预编码矩阵。具体步骤如下：(1)对通信系统建模，以工作在全双工模式的两个合法节点，在接收信号的同时不仅向对方发送信息信号，还协同发送人工噪声干扰窃听节点，形成双向安全通信系统；(2)对优化问题进行建模，构造以最大化保密和速率为目标的优化问题；(3)利用矩阵行列式分解对保密和速率进行分解，将优化目标转化为两个上凸函数之差的形式；(4)利用矩阵的一阶泰勒展开得到保密和速率的近似值，将原优化问题转化为以最大化保密和速率近似值为目标的优化问题；(5)利用DC(DifferenceofConcave/Convex,DC)规划算法获取使得保密和速率近似值最大的信息信号以及人工噪声的预编码矩阵。具体地，步骤(1)中所述通信系统建模包括对系统合法节点间的信息传输速率、窃听节点的窃听速率、系统保密和速率进行建模和表达。在本专利技术的通信系统中分配相近数量的发送天线和接收天线，同时发送天线数量不少于接收天线数量。具体地，步骤(2)中所述优化问题建模，在节点发送总功率限制下，以最大化保密和速率为目标，以合法节点处的信息信号和人工噪声的功率之和小于等于发送功率为约束条件。具体地，步骤(3)中所述利用矩阵分解对保密和速率进行分解，可首先将信息信号和人工噪声的预编码矩阵看成一个对角块矩阵，然后分别对合法节点的信息传输速率、窃听节点的窃听速率进行分解，进一步可得到对保密和速率进行分解的表达式。具体地，步骤(4)中通过矩阵的一阶泰勒展开得到其中一个上凸函数的近似线性函数，从而得到保密和速率的近似函数，将最大化保密和速率为目标的优化问题转化为以最大化保密和速率近似值为目标的优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)对通信系统建模，以工作在全双工模式的两个合法节点，在接收信号的同时不仅向对方发送信息信号，还协同发送人工噪声干扰窃听节点，形成的双向安全通信系统为系统模型；/n(2)对优化问题进行建模，构造以最大化保密和速率为目标的优化问题；/n(3)利用矩阵行列式分解对保密和速率进行分解，将优化目标转化为两个上凸函数之差的形式；/n(4)利用矩阵的一阶泰勒展开得到保密和速率的近似值，将原优化问题转化为以最大化保密和速率近似值为目标的优化问题；/n(5)利用DC规划算法获取使得保密和速率近似值最大的信息信号以及人工噪声的预编码矩阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对通信系统建模，以工作在全双工模式的两个合法节点，在接收信号的同时不仅向对方发送信息信号，还协同发送人工噪声干扰窃听节点，形成的双向安全通信系统为系统模型；
(2)对优化问题进行建模，构造以最大化保密和速率为目标的优化问题；
(3)利用矩阵行列式分解对保密和速率进行分解，将优化目标转化为两个上凸函数之差的形式；
(4)利用矩阵的一阶泰勒展开得到保密和速率的近似值，将原优化问题转化为以最大化保密和速率近似值为目标的优化问题；
(5)利用DC规划算法获取使得保密和速率近似值最大的信息信号以及人工噪声的预编码矩阵。


2.根据权利要求1所述一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，其特征在于：步骤(1)所述通信系统建模包括对系统合法节点间的信息传输速率、窃听节点的窃听速率、系统保密和速率进行建模：
两个合法节点间的信息传输速率分别为






式中，A、B分别为两个工作在全双工模式的合法节点；Nr表示合法节点的接收天线数；SA、SB分别为A、B节点处的信息信号预编码矩阵；ZA、ZB分别为A、B节点处的人工噪声的预编码矩阵；HAB、HBA分别为A到B、B到A的合法信道矩阵；ρA、ρB分别表示A、B节点的自干扰残余因子，满足0＜ρA≤1，0＜ρB≤1；HAA、HBB为A、B节点处收发天线间的环衰落信道矩阵；分别为A、B节点的传输信道的噪声方差；表示Nr维的单位矩阵；
窃听节点的窃听速率为



式中，E为窃听节点；NE为窃听节点的接收天线数；GAE、GBE分别为合法节点A到窃听节点E、合法节点B到窃听天线E的窃听信道矩阵；为窃听节点处的信道传输噪声方差；表示NE维单位矩阵；
系统保密和速率为
RS＝[RBA+RAB-RE]+
式中，[x]+表示max{0,x}。


3.根据权利要求1或2所述一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，其特征在于：所述通信系统中分配相近数量的发送天线和接收天线，同时发送天线数量不少于接收天线数量。


4.根据权利要求1或2所述一种MIMO全双工双向安全通信系统预编码矩阵的优化方法，其特征在于：步骤(2)所述对优化问题进行建模，在节点发送总功率限制下，以最大化保密和速率为目标，以人工噪声以及信息信号的功率之和不大于发送总功率为约束条件，具体为：
发送总功率限制为
T...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷维嘉，周洋，李朝辉，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50