一种改进的提高通信系统稳定性能的方法技术方案

一种改进的提高通信系统稳定性能的方法，属于通信技术领域。该方法步骤为：确定参数、确定优化问题、简化优化问题、引入松弛变量、化半无限限制条件为线性矩阵不等式、优化问题的最终形式、证明所求解为最优解、求得最优发送功率popt、输出最优发送功率popt。本发明专利技术方法是在考虑窃听信道的信道状态信息不完全可知，重新设计优化方案，从而提高保密通信的稳定性能。以实现在窃听信道状态信息未完全可知的情况下人工噪声协方差矩阵与传输波束成形向量联合优化设计，提高保密通信的稳健性。相比较于信道状态信息可知的情况，该方法在保障整个系统的稳定性上有着显著优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在窃听信道状态不完全确定的情况下，提高保密通信系统稳定性能的波束成形与人工噪声联合优化的方法，属于通信

技术介绍
由于无线通信设备的广播特性，保密性成为无线通信中最基本的问题。一直以来，保密通信都是通过使用密码系统实现的，像加密。另一方面，在信息理论角度，有很多研究证明，可以不添加密钥的情况下实现可靠地保密通信，即物理层安全。 物理层安全(physical-layer secrecy)是由Wyner从信息论角度首次提出的。实现物理层安全，主要是利用信道的物理特性，根据其物理特性，将所添加的人工噪声(artificial noise)变弊为利，在保证不影响主信道通信的条件下，尽可能的衰落窃听信道，使窃听端的信噪比尽可能的减小。添加人工噪声主要有两种方式一是将人工噪声直接放在主信道的零空间内，这样不会影响主信道但却可衰减窃听信道，但是却未将其优化，功率分配不合理；另一种是将人工噪声协方差矩阵与传输波束成形向量联合优化，虽然算法相对复杂却可以合理地分配发射功率，“在存在窃听的情况下基于服务质量的传输波束成形一种添加人工噪声的优化方法”IEEE Trans, SignalProcess. , vol. 59, no. 3, Mar. 2011.一文即属于此列。然而，在实际应用中，窃听端的具体位置(包括方向、远近)都不是具体可知的，即其信道状态信息(channel stateinformation)对于发射端来说不完全可知，甚至完全不可知。所以，一切基于窃听信道状态信息完全可知的假设的研究，其背景过于理想化，对实际研究的意义不大。为此，以信道状态信息不确定为背景的研究也尤为重要。
技术实现思路
针对原人工噪声协方差矩阵与传输波束成形向量联合优化设计中背景因素不理想，本专利技术提出了一种基于信道状态信息不完全可知背景的联合优化设计方法。该方法是在原联合优化设计的基础上，考虑窃听信道的信道状态信息不完全可知，重新设计优化方案，从而提高保密通信的稳定性能。以实现在窃听信道状态信息未完全可知的情况下人工噪声协方差矩阵与传输波束成形向量联合优化设计，提高保密通信的稳健性。本专利技术的技术解决方案如下，用于通信系统中，该系统中有三种节点发送端、接收端和窃听端，发送端欲向接收端发送保密信息，不愿让窃听端接收到任何有用信息，系统中有一个具有N根发射天线的发送端、一个具有一根天线的接收端和M个窃听端，每个窃听端配备一根天线；记发送端到接收端的信道为主信道，发送端到第m个窃听端的信道为第m个窃听信道，并设主信道和窃听信道都是无记忆的准静态衰落信道，信道矢量中元素均服从复高斯分布，且相互独立；记主信道的信道矢量为h= Lh1 h2 K hN]H，其中h” i G [I, K，N]表示第i根发射天线到接收端的信道衰落因子；第m个窃听端信道矢量为ge.m = [gmi gm2 K g_]H, m = I, K, M,同理，gmi, i G [I, K, N]表示由第i发射天线到第m个窃听端的第i根接收天线的信道衰落因子，且h，g_ G ￡N，￡N表示N维复数空间，上式表示!!、^^均包含于N维复数空间￡N中；信道中的加性噪声n(t)、vk(t)均假设为高斯白噪声，均值为O，方差为I ;发送端发送的信号为x(t) = ws (t)+z (t)，其中w为波束成形权重矢量，s(t)为要发送给合法接收端的保密信息，z(t)为由发送端产生的人工噪声，且服从均值为O，协方差矩阵为I的复高斯分布，即z(t):CN(0，2)，该方法步骤如下I)确定参数估计主信道的信道矢量h和窃听信道的估计值，信道加性噪声W 及保密通信速率r的值以及窃听信道不确定度Agm的边界值I I AgmI I2彡em, m = 1，K，M，其中I I I2为运算符号，表示求某矢量的二范数，e m表示主信道的信道偏移量幅度值的最大值，m表示窃听端的序号，M表示窃听端数目；2)确定优化问题由于发射信号由波束成形后的有用信号ws(t)和人工噪声z(t)组成，而信息信号s(t)的功率已被归一化，即E{|s(t) |2} = 1，所以发送功率记为P = I |w| |2+Tr(2)，其中Iwl 12表示对波束成形矢量W求二范数后取平方，Tr(S)表示求人工噪声方差矩阵2的迹；根据香农定理,最大传输信息速率W = Slog2(l+|)，其中B为带宽，I为接收端信噪t匕，则在有窃听者存在的情况下，保密通信速率应为主信道的最大传输速率与窃听信道的最大传输速率的差值，即Rs=Rmain-IU一，其中，Rs为保密通信速率，Rfflain与Rwiretap分别为主信道的最大传输速率与窃听信道的最大传输速率；接收端与第m个窃听端的信噪比分别为Xrrgh和，其中hH和0表示求其自身的转置，2与一分别表示主信道的加性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进的提高通信系统稳定性能的方法，用于通信系统中，该系统中有三种节点发送端、接收端和窃听端，发送端欲向接收端发送保密信息，不愿让窃听端接收到任何有用信息，系统中有ー个具有N根发射天线的发送端、ー个具有一根天线的接收端和M个窃听端，每个窃听端配备ー根天线；记发送端到接收端的信道为主信道，发送端到第m个窃听端的信道为第m个窃听信道，并设主信道和窃听信道都是无记忆的准静态衰落信道，信道矢量中元素均服从复高斯分布，且相互独立；记主信道的信道矢量为h= Lh1 h2 K hN]H，其中比，i e [I, K, N]表示第i根发射天线到接收端的信道衰落因子；第m个窃听端信道矢量为 ge.m = [gmi gm2 K gmN]H，m = Ι,Κ,Μ,同理，gmi, i e [I, K, N]表示由第 i 发射天线到第 m 个窃听端的第i根接收天线的信道衰落因子，且h，ge,m e ￡n，￡N表示N维复数空间，上式表示h、g_均包含于N维复数空_￡N中；信道中的加性噪声n(t)、vk(t)均假设为高斯白噪声，均值为O，方差为I ;发送端发送的信号为x(t) = ws (t)+z (t)，其中w为波束成形权重矢量，s(t)为要发送给合法接收端的保密信息，z(t)为由发送端产生的人工噪声，且服从均值为O，协方差矩阵为Σ的复高斯分布，即z(t):CN(0，Σ)，该方法步骤如下 1)确定參数 估计主信道的信道矢量h和窃听信道的估计值瓦, ，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丕明，刘娟，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：