多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多天线安全通信系统中的预编码传输方法，具体来说，涉及一种多天 线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法。
【背景技术】
[0002] 由于无线通信系统的开发性，无线通信系统的安全性受到研宄者越来越广泛的关 注。而传统的安全技术主要是采用密码学技术，但其复杂度比较高。为此，有关学者们从信 息论的角度提出了物理层安全技术。
[0003] 从物理层安全技术可知，当合法用户的信道质量好于窃听用户的信道时，安全通 信系统的速率大于〇。但在实际通信系统中，并不能保证上述的条件一定成立。为此，研宄 者们提出多种技术来克服这种情况，其中一项主要技术是采用人工噪声（AN)干扰窃听用 户的信道质量。
[0004] 然而，人工噪声技术能够最大限度地提高系统容量需要得到基站到合法用户的完 美信道信息。而在实际的无线通信系统，特别是在频分双工（FDD)系统中，无论是接收端 还是发送端都很难得到完美信道信息。接收端用信道估计方法得到信道的估计值，然后用 通过反馈信道将估计的信道信息反馈给发送端。在实际系统中，发送端发送正交导频信号， 接收端根据接收到的导频信号，运用最小均方误差（MMSE)或线性最小均方误差（LMMSE)等 方法来估计出信道信息。另外，实际系统中为了减少反馈量，接收端通常采用有限反馈方法 将信道信息估计值反馈给发送端，即接收端将估计的信道信息进行量化，然后将量化后的 信息通过有限的比特反馈给发送端，最后发送端根据反馈信息恢复出估计信道信息的量化 值。
[0005] 在实际无线通信系统中，通常采用信道估计和有限反馈技术得到信道信息，从而 带来信道估计误差与量化误差，并会对无线中继系统性能产生影响，降低中继系统的容量。 因此，我们需要评估同时存在信道估计误差与量化误差时对系统造成的速率损失，并据此 设计有限反馈策略，以获得可控的速率损失。
【发明内容】
[0006] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种多天线安全通信系统中基于 信道估计的有限反馈传输方法，以获得可控的速率损失。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008] 一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，该传输方法包括 以下步骤：
[0009] 步骤1)基站配置M根天线，合法用户和窃听者均配置单天线，基站至合法用户的 完美信道向量为h，基站至窃听者的完美信道向量为g ;其中，M为正整数；
[0010] 步骤2)合法用户通过基站发送的XM个正交导频信号估计基站至合法用户的信 道，得到估计信道向量6;其中，a表示11所对应的每根天线进行信道估计时所采用的导频 符号数目；合法用户依据式（1)计算出信道量化所需比特数B:
[0011] B = (M-l) [l0g2C-l0g2U-D)] 式（1)
[0012] 其中，f =/) + (1 - cr:)，Z) = (1 - <r:)+舍(7: + (Af - l)<^2cr: +1，< 表不;合 法用户的信道估计误差，（^表示有用信号的功率，巾aP，巾2表示人工噪 声的功率，也=11^11，P表示基站的信号总发送功率，a表示基站的有用信号功率的分- M-1 配因子，安全通信系统的速率损失阈值为l〇g2bbps/Hz ;
[0013] 步骤3)合法用户根据式⑴计算出量化所需比特数B，用长度为2B的码本量 化归一化向量fi/fl，得到量化值在码本中的索引号，符号I I I I表示向量的模，合法用户 将量化的索引号通过上行信道反馈给基站，基站根据索引号从码本中得到向量的量 化值从而得到有用信号的发送预编码向量f和人工噪声的发送预编码矩阵W，其中， f = i!; w = i^，矩阵L的所有列组成了向量&零空间的标准正交基；
[0014] 步骤4)基站得到f和W后，发送信号向量为x = $fc + 7^Wa， 其中S为有用信号，a为人工噪声，&= a P，矣~合法用户的接 收信号为j>fe，A = + + ;窃听用户的接收信号为叉，
【主权项】
1. 一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，其特征在于，该传 输方法包括以下步骤： 步骤1)基站配置M根天线，合法用户和窃听者均配置单天线，基站至合法用户的完美 信道向量为h，基站至窃听者的完美信道向量为g ;其中，M为正整数； 步骤2)合法用户通过基站发送的λΜ个正交导频信号估计基站至合法用户的信道，得 到估计信道向量Ii;其中，λ表示fi,所对应的每根天线进行信道估计时所采用的导频符号 数目；合法用户依据式（1)计算出信道量化所需比特数B : B = (M-I) [Iog2 ξ-Iog2 ( ξ-D)]式（I) 其中，
，σ丨表不合法用 户的信道估计误差，
表示有用信号的功率，Φ α Ρ，φ 2表示人工噪声的 功率：
，P表示基站的信号总发送功率，α表示基站的有用信号功率的分配因 子，安全通信系统的速率损失阈值为l〇g2b bps/Hz ; 步骤3)合法用户根据式（1)计算出量化所需比特数B，用长度为2B的码本量化归 一化向量得到量化值在码本中的索引号，符号I I I I表示向量的模，合法用户将 量化的索引号通过上行信道反馈给基站，基站根据索引号从码本中得到向量?/||??||的量 化值?，从而得到有用信号的发送预编码向量f和人工噪声的发送预编码矩阵W，其中， f = G : W = ，矩阵?ιχ啲所有列组成了向量&零空间的标准正交基； 步骤4)基站得到f和W后，发送信号向量为
中s为有用信号，a为人工噪声，Φ i= α P，
合法用户的接收 信号为凡，
；窃听用户的接收信号为又，
，其中，Zb为合法用户的噪声，％为窃听用户的噪声，上标H 表示矩阵的共轭转置。
【专利摘要】本发明公开了一种多天线安全通信系统中基于信道估计的有限反馈传输方法，包括：首先，合法用户利用信道估计技术估计出基站到合法用户的信道向量，然后根据信道估计误差、基站天线数目、信号的发送功率和速率损失阈值计算出反馈信道信息所需比特数。其次，合法用户将基站至其的信道信息进行归一化，接着根据已计算的比特数，采用随机向量量化方法量化归一化的信道信息，并将量化索引号分别反馈给基站。最后，基站利用索引号从码本簿中得到量化的发送预编向量。本发明由于同时考虑信道估计与有限反馈，故本发明的安全系统性能更贴近真实系统，有更高的实用价值。
【IPC分类】H04B7-08, H04L25-02, H04B7-06
【公开号】CN104539337
【申请号】CN201410830926
【发明人】许威, 彭张节, 赵春明
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月26日