专利名称：全新的基于sdf的mume系统安全通信方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域,尤其是基于安全自由度(SDF, Security Degree ofFreedom)以及 ZF Beamforming 的 MUME-MIMO (multiple-user mult ip I e-eavesdropper,multiple-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，具体涉及全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法。
背景技术：
人们对于物理层安全不断增长的关心和需求正在激起关于安全通信的广泛的研究兴趣。由于无线通信的广播特性，通信安全成为了无线通信的一个基本问题。一个潜在的窃听者可能在不被探测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。另一方面，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介绍了一种窃听信道模型，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一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一个。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。随着无线通信技术的不断发展，研究人员不再将目光只放在单天线安全通信，而是进一步地拓展到了多天线的配置。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。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一个很重要的课题。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一个用户。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，必须保证任何一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。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和A. Swindlehurst在“Utilityof Beamforming Strategiesfor Secrecy inMultiuser MIMOffiretap Channels, ” 米用了 ZF波束形成用于多用户安全通信系统。2004年Q. Spencer和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，传统方法和ZF beamforming方法比较简单易行,但是效果不够理想。而块对角化(BD)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，本发明提出了一个方法，这种方法是基于1983年 MAX H. M. COSTA 提出的脏纸编码(Dirty Paper Coding, DPC)概念以及 ZF beamforming相关技术。2007 年 D. Gesbert, M. Kountouris, R. W. Heath Jr, C. -B. Chae, and T. Salzer,在 IEEE Sig. Proc. Mag.发表“Shifting the MIMO paradigm:From single usertomultiusercommunications”，并在文中提出DPC编码只是一种理论方案,可以达到多用户容量的上界，但很难进行实际操作。发明人研究发现，采用ISDF方法在单数据流传输时不仅可以增加保密容量，而且在发送者天线数量以及安全自由度方面也取得一定的改善。因此可以作为一个实现MUME系统安全通信的替代方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DPC编码和ZFBeamforming的多用户多窃听者安全通信的预编码策略，对每个用户的信道进行估计，然后 对各用户按某种标准进行先后设计预编码矩阵，其中需要满足的一个要求就是，后设计的预编码矩阵要位于前面所有已设计的预编码矩阵的零空间。假设对Bob j发送4个数据流，然后通过两次SVD分解，我们把各自用户的信息发射到相应的最大特征值所对应的特征向量空间，完成发射。本发明的应用场景包含有I个发信者(Alice)，J个合法接受者(Bob)和K个窃听者(Eve)。Alice, Bob j和Eve k上配置的天线数分别为NA，NBj和Na。本发明采用ISDF技术方案——一种基于DPC和ZF Beamforming的多用户MMO多用户安全通信的预编码策略。根据本发明的一个方面，提供一种全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，包括以下步骤步骤I :发信者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的信道矩阵信息，按照某个标准对各个用户以不同的优先顺序进行预编码，其中需要满足的一个要求就是后面用户的预编码矩阵都必须位于前面所有用户预编码矩阵的零空间里；步骤3 :假设信源Alice向Bobj同时发送(Ij个数据流，在步骤2中进行若干次SVD分解，选出对应最大的4个特征值对应的特征向量作为预编码矩阵，然后Alice将待发送的每个用户的信号发射到对应的特征向量空间；步骤4 :发送人工噪声；步骤5 :信宿以Wiener滤波器进行解码。优选地，每个用户以及人工噪声的预编码矩阵的设计，具体如下Hj, j=l, 2，…J，代表第j个用户Bobj的信道矩阵，Gk, k=l, 2，……，K，代表第k个窃听者Evek的信道矩阵。J个用户Bob已经被排列为Bobl, Bob2, ......, BobJ,不失一般性,可以首先选择
Bobl设计其预编码矩阵，W1 oc maxrtyeigenvectorsoi^//^Hj)其中~表示W1由％的4个最大的特征值所对应的特征向量组成。然后设计后面用户的预编码矩阵，使之满足基本条件每一个用户的预编码矩阵必须位于所有前面用户预编码矩阵的零空间里。所以其他用户的预编码矩阵设计为
权利要求
1.一种全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :发信者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的信道矩阵信息，按照某个标准对各个用户以不同的优先顺序进行预编码，其中需要满足的一个要求就是后面用户的预编码矩阵都必须位于前面所有用户预编码矩阵的零空间里； 步骤3 :假设信源Alice向Bobj同时发送Clj个数据流，在步骤2中进行若干次SVD分解，选出对应最大的+个特征值对应的特征向量作为预编码矩阵，然后Alice将待发送的每个用户的信号发射到对应的特征向量空间； 步骤4:发送人工噪声； 步骤5 :信宿以Wiener滤波器进行解码。
2.如权利要求I所述的全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于，每个用户以及人工噪声的预编码矩阵的设计，具体如下 Hj，j=l，2，…J，代表第j个用户Bobj的信道矩阵，Gk，k=l，2，……，K，代表第k个窃听者Evek的信道矩阵； J个用户Bob被排列为Bobl, Bob2,……，BobJ ;首先选择Bobl设计其预编码矩阵， W1 oc ma X dj e igen vectorsof 其中~表示W1由％的4个最大的特征值所对应的特征向量组成； 其他用户的预编码矩阵设计为
3.根据权利要求I所述的全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于，所述步骤4包括步骤将人工噪声发送到所有预编码矩阵的零空间。
4.根据权利要求I所述的全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于，所述步骤4包括步骤将人工噪声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。
5.根据权利要求I所述的全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于，在所述步骤I中，发送者Alice通过时分双工估计进行下行链路的信道估计。
6.根据权利要求I所述的全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，其特征在于，在所述步骤I中，发送者Alice通过频分双工的反馈进行下行链路的信道估计。
全文摘要
本发明提供一种全新的基于SDF的MUME系统安全通信方法，包括步骤步骤1发信者Alice进行下行链路的信道估计；步骤2Alice根据信道信息对各个用户按不同优先顺序进行预编码，其中需要满足的一个要求就是后面用户的预编码矩阵都必须位于前面所有用户预编码矩阵的零空间里；步骤3假设Alice向第j个用户同时发送dj个数据流，在步骤2中进行若干次SVD分解，选出对应最大的dj个特征值对应的特征向量作为预编码矩阵，然后Alice将待发送的每个用户的信号发射到对应的特征向量空间；步骤4发送人工噪声；步骤5信宿以Wiener滤波器进行解码。实验结果表明该方案可以取得比现有最优方案——BD方法更多的保密容量。
文档编号H04L25/02GK102724026SQ20121018767
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者解昆, 陈文 申请人:上海交通大学