基于SLR的多用户安全通信的预编码方法技术

本发明专利技术提供一种基于SLR的多用户安全通信的预编码编码方法，包括步骤：步骤1：发送者Alice进行下行链路的信道估计；步骤2：Alice根据已知的所有合法用户Bob的信道矩阵，构造每个用户的等效异构联合矩阵矩阵，然后对每个用户的信道矩阵以及其所对应的等效异构联合信道矩阵进行广义奇异值分解，得到相应广义特征值及广义特征向量；步骤3：Alice向每个用户同时发送d个数据流，在步骤2中选出对应最大的d个广义特征值对应的广义特征向量，然后将每个用户的信号发射到对应的广义特征向量空间，而人工噪声则发送到所有信道矩阵的零空间；步骤4：信宿D以Wiener滤波器进行解码。实验结果表明该方案的保密容量接近已有最优方案但是复杂度要远低于已有最优方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信领域，尤其是基于SLR (signal-to-leakage ratio,信漏比)的 MUME-MIMO (multipie-user multipIe-eavesdropper,multipIe-input multiple-put,多用户多窃听者多进多出)多用户安全通信中的一种预编码设计方案，具体涉及基于SLR的多用户安全通信的预编码方法。
技术介绍
随着通信技术的不断发展，人们对传输速率、传输可靠性、资源利用率以及通信安全等性能要求越来越高。由于无线通信的广播特性，通信安全成为了无线通信的ー个基本问题。ー个潜在的窃听者可能在不被探測到的情况下窃听到发信者发送的信息，从而给无线通信安全造成威胁。传统上通信安全可以通过使用加密技术来实现。另ー方面，根据信息论的研究发现在不需要使用保密密钥的前提下也可以实现安全通信。在早期信息论的研究中，Wyner介绍了ー种窃听信道模型，在这种模型中窃听者的信道被定义成合法用户的退化版本。只要窃听者的信道质量没有合法用户的好，那么就可能得到一个非零的保密容量。Csiszar和Korner把安全通信的问题扩展到了一个更为一般的信道条件ー个公共的信息被同时发送给两个用户，另外一个保密信号只被发送给他们中的ー个。为了即使在合法接受者的信道质量比窃听者差很多的情况下达到保密通信，各种物理层的技术被运用。其中被运用最广泛的技术之一就是使用多天线来同时发送信号和人工噪声来迷惑窃听者。如果安装了多天线，发信者就可以同时发射有用信息信号以及人工噪声来达到保密通信的目的。其中人工噪声是随即发射的，用来“掩护”有用信号发送给合法接收者，在用户端可以被干扰消除，而在窃听者一端则造成很大干扰。同时，在基于多天线的带有人工噪声的安全通信的设计中，有用信号和人工噪声之间的发射功率分配也是ー个很重要的课题。以前的研究多数关注的都是单用户系统。然而大多数实际的通信系统都有不止ー个用户。此外窃听者也可能不是单独地存在，这就意味着他们可以采取联合或不联合的方式进行窃听。这就是所谓的MUME (多用户多窃听者)系统。要达到通信安全，必须保证任何ー个合法的用户都不被窃听，这在以前很少有人研究。在多用户多窃听者情况下，系统的保密容量也和单用户系统不同。2007年Y. Liang, H. V. Poor, and S. Shamai在“Compoundwire-tap channels, ”中讨论了带有人工噪声的MUME保密通信系统的保密容量的实现。2008 年 Y. Liang, H. V. Poor, and S. Shamai 在 IEEE Trans. Inf. Theory 上的“Secure communication over fadingchannels” 中给了一个关于 MUME 系统保密容量的一个粗略的定义。2009 年A. Mukher jee and A. Swindlehurst 在Proc. 47th AlIertonConf. onCommunication, Control and Computing 上的“Utility of Beamforming StrategiesforSecrecy in Multiuser MIMOffiretap Channels, ”中讨论了多用户MIMO窃听信道下的两种ZF beamforming策略。其中作者重点分析了 Bob和Eve的SNR和BER，但是他们只对单数据流的情况做了分析。为了限制来之自他用户的同信道干扰(co-channel interference)并同时保护有用用户信息不被干扰，目前通常有两种比较实用的线性传输技术(i) 2010年X. Zhou, M. R. McKay 在 IEEETrans. Vehicualr Technology 发表了 “Secure Transmissionwith Artificial Noiseover Fading Channels:Achievable Rate and Optimal PowerAllocation”，其中运用了一种传统的SVD方法，它对各个用户自身的信道矩阵进行奇异值分解(SVD)，然后取最大奇异值对应的特征向量作为信号的发送方向，从而可以得到用户各自信号的最大信道增益。(ii) 2009 年 A. Mukherjee and A. Swindlehurst 在“Utilityof Beamforming Strategiesfor Secrecy inMultiuser MIMOWiretap Channels，，，米用了 ZF波束形成用于多用户安全通信系统。2004年Q. Spencer and A. Swindlehurst在EURASIP Journ. WirelessCommun. and Network 发表的‘‘A hybrid approach to spatialmultiplexing in multi-user MIMOdownlinks，”中所提出的ZF的演进方法快对角化方法 (block diagonalization)，并将之用于多用户MIMO通信中。在这种方法中，所有的信息将被发送到所有其他用户的接收信道矩阵的零空间中，从而有效避免了对其他用户的干扰。根据以往的研究表明，SVD方法和ZF beamforming方法比较简单易行，但是效果不够理想。而块对角化(BD method)可以取得良好的效果但缺点是复杂度太高。鉴于上述各种方法的缺点和优点，本专利技术提出了ー个方法，这种方法是基于2005年 A. Tarighatj M. Sadekj and A. H. Sayed 在论文 “A multi user beamformingscheme fordownlink MIMO channels based on maximizing signaltoleakageratios” 中提出的惜漏比(signal-to-leakage-ratio)概念。专利技术人研究发现,这种方法所取得的保密容量接近已有最优方案但是复杂度远低于已有最优方案，因此可以作为ー个在保密容量和复杂度之间的折中方案。此外，专利技术人还分析了安全通信中的最优功率分配，其中不仅包含有用信息和人工噪声之间的功率分配，还包括了各个用户之间的功率分配。而最大的保密容量则可以根据这些功率分配參数的设计取得。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SLR的多用户多窃听者安全通信的预编码策略，对每个用户的信道以及其对应的异构联合信道矩阵进行广义奇异值分解(GSVD)。然后把各自用户的信息发射到相应的最大广义奇异值多对应的广义奇异向量空间，完成发射。本专利技术的应用场景包含有I个发信者(Alice)，J个合法接受者(Bob)和个窃听者(Eve)0 Alice、Bob j和Eve k上配置的天线数分别为Na, NBj和Na。本专利技术采用以下技术方案——一种基于SLR的多用户MIMO安全通信的预编码方法。根据本专利技术的ー个方面，提供一种基于SLR的多用户安全通信的预编码方法，包括以下步骤步骤I :发送者Alice进行下行链路的信道估计；步骤2 =Alice本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SLR的多用户安全通信的预编码方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :发送者Alice进行下行链路的信道估计； 步骤2 =Alice根据已知的所有用户Bob的信道矩阵，构造每个用户的等效异构联合矩阵矩阵，即除自身外其他所有用户信道矩阵所组成的联合矩阵；并对每个用户的信道矩阵以及其所对应的等效异构联合信道矩阵进行广义奇异值分解，得出各信道矩阵的相应广义特征值及广义特征向量； 步骤3 =Alice向每个用户同时发送d个数据流，在步骤2中选出对应最大的d个广义特征值对应的广义特征向量，然后Alice将待发送的每个用户的信号发射到对应的广义特征向量空间，而人工噪声则发送到所有信道矩阵的零空间以最大程度减少对Bob的影响；步骤4 :信宿D以Wiener滤波器进行解码。2.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：解昆，陈文，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：