多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法
【专利摘要】本发明是多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法，具体指一种多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码信息处理方法，涉及无线通信预编码【技术领域】。具体为：各基站向用户发送训练序列，用户和窃听者的收发信机根据接收到的信号进行信道估计，分别得到各基站与用户和窃听者之间的信道信息；中央处理器根据得到的信道信息，计算所有基站的预编码矩阵，并将各预编码矩阵反馈给相应的基站；各基站将同一信号经预编码处理后发送给用户；用户和窃听者对接收到的信号进行检测，估计发送的信号。它通过同时得到各基站的预编码矩阵最大化系统的安全速率，避免了传统的迭代算法不能确保得到的解为全局最优解的缺陷，能够有效地提高系统的安全速率。
【专利说明】 多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信预编码【技术领域】，具体是一种在多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码信息处理方法。
【背景技术】
[0002]在无线通信中，由于无线媒介的开放性，数据传输的安全问题变得更具挑战性，是一项需要深入研究的课题。在过去较长的时间内，学者们致力于用加密的方法来确保信息的安全传输，这种加密算法通常基于事先确定好的协议，然而，对于WIFI (WirelessFidelity)和用户对用户直接通信的类型，由于它们的接入和离开是随机的，所以执行这种协议是很困难的。因此，基于物理层的信息安全问题逐渐受到研究者的关注。
[0003]安全传输的最初概念是由A.D.Wyner提出的，他阐述了不需要密钥就可以实现机密信息的安全传输，同时窃听者不会获得信息，而且提出了安全速率的概念来衡量通信系统的安全性。同时，随着多天线技术的发展，研究者把他们的注意力转移到这种更有前景的领域来增强安全速率。
[0004]目前，主流的安全速率定义为被窃听用户的速率减去窃听者的速率。一般来说，对安全速率的研究主要分为两类，一类是基于预编码技术，另一类是基于人工噪声。经对现有文献检索发现，C.Jeong, 1.Kim and D.Kim, “Joint Secure Beamforming Design at theSource and the Relay for an AmpIify-and-Forward MIMO Untrusted Relay System，，，IEEE Transactions on Signal Processing (非信任中继前向放大MIMO系统中源端和中继的联合安全波束成型设计，IEEE信号处理学报)中，作者研究了一个单基站单用户，并且具有一个协作中继的系统，同时假设这个中继也是一个潜在的窃听者。基于基站和中继的预编码设计，这篇文章得出了系统的最大安全速率。
[0005]经检索又发现，H.Wang, Q.Yin and X.Xia, “Distributed Beamforming forPhysical-Layer Security of Two-Way Relay Networks，，，IEEE Transactions on SignalProcessing (双向中继网络中物理层安全的分布式波束成型)中，作者考虑了一个双向中继的场景，这时窃听者在两个时隙中都可以窃听到用户的信息，通过相应的预编码设计得到最大的安全速率。
[0006]虽然传统的迭代算法以先后优化各个节点的预编码矩阵从而得到最优的安全速率，但这种方法不能确保得到的解为全局最优解。
[0007]此外，经检索发现，S.Goel and R.Negi, “Guaranteeing Secrecy using Arti ficial Noise，，，IEEE Transactions on Wireless Communications (利用人为噪声保证安全，IEEE 无线通信学报)和 J.Huang and A.L.Swindlehurst, “QoS-constrained robustbeamforming in MISO wiretap channels with a helper，，，Systems and Computers (ASIL0MAR)201IConference Record of the Forty Fifth Asilomar Conference on Signals(存在一个帮助者的MISO窃听信道中基于QoS约束的鲁棒性波束成型，2011年第四十五届Asilomar信号会议的系统和计算机会议记录)中，作者们都是通过增加人工噪声干扰窃听者，从而提高安全速率。不同点在于，在前一篇中，人工噪声是在发送端，而在后一篇中，由另外一个帮助者产生人工噪声。
[0008]由此可知，关于在对多个基站协作的场景下来优化安全速率的预编码方法没有进行过多研究，在多基站协作场景下对安全速率进行优化具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种对于多基站协作场景中存在窃听者时，如何通过对基站进行联合预编码从而优化系统安全速率的方法。本发明假设用户和窃听者的信道状态信息是已知的，通过对基站进行适当的联合预编码来最大化系统的安全速率。目标是最大化合法用户的信噪比，同时窃听者的信噪比要小于一定的阈值，并且各个基站还要满足各自的功率约束。与传统的采用迭代的方法来优化各基站的预编码矩阵相比，本发明通过凸优化过程能够同时得到各基站的预编码矩阵，获得各基站的全局最优解，从而使系统得到更高的安全速率。
[0010]本发明基于包括K个基站、一个用户和一个窃听者，一个用于信号处理的中央处理器的通信系统结构，具体方法为:
[0011]A.K个基站同时向用户发送训练序列P1，用户根据接收到的信号对信道进行估计，得到基站与用户之间的信道信息Hf、H。…Hf，窃听者根据接收到的信号对信道进行
估计，得到基站与窃听者之间的信道信,丨'H' H1: ... H',)
[0012]B.用户和窃听者将得到的基站与用户之间的信道信息Hf)、Hf “.Η?)和基站与窃听者之间的信道信息Hf、Hf…H。反馈给各基站，然后各基站分别将获得的信道
信息传输给中央处理器，中央处理器根据H1 \ Hf…Hf和HP、Hf…Hf，计算所
有基站的预编码矩阵F，其中F=WkdiagiF1, F2,…FK} ,Fi为第i个基站的预编码矩阵，并将Fi反馈给第i个基站，i=l, 2，…K。所有基站的预编码矩阵的计算步骤如下:
[0013](I)、将优化系统安全速率进行凸优化；定义系统的安全速率为:C= I Cu-Ce I +，其中I X I +表示取O与X间的最大值，cu、(；分别表示用户、窃听者的速率，且计算如下:Cu=1g (1+SNRU)、Ce=1g (l+SNRe)，其中SNRU、SNRe分别表示用户和窃听者的信噪比；
[0014]然后，把优化Cu和Ce转化为分别优化SNRu和SNRe ;此时，目标成为最大化SNRu,同时各基站需要满足各自的功率约束，SNRe也要小于一个阈值，阈值取O至2之间的数，约束条件表示为:
[0015]
【权利要求】
1.一种多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法，基于包括K个基站、一个用户和一个窃听者，一个用于信号处理的中央处理器的通信系统结构，其特征在于，包括以下步骤: A.K个基站同时向用户发送训练序列P1，用户根据接收到的信号进行信道估计，得到基站与用户之间的信道信息H|")、H?B)…Hf，窃听者根据接收到的信号对信道进行估计，得到基站与窃听者之间的信道信息Hf、Hf…Hf; B.中央处理器根据基站与用户之间的信道信息H丨'Hf--…Hu和基站与窃听者之间的信道信息H广、Hf……Hf，计算所有基站的预编码矩阵F，其中F=blkdiag (F1, F2,…FK}，Fi为第i个基站的预编码矩阵，并将Fi反馈给第i个基站，i=l, 2，-K ； C.K个基站将要发送的信号S经过预编码处理后发送给用户，假设第i个基站有Ni根收发天线，用户有Nu根收发天线，窃听者有凡根收发天线，用户、窃听者接收到的信号分别表示为:
2.根据权利要求1所述的多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法，其特征在于，第B步中所述的所有基站的预编码矩阵F的计算步骤如下: (I)、将优化系统安全速率进行凸优化；定义系统的安全速率为:C= I Cu-Ce I +，其中I X I +表示取O与X间的最大值，Cu、(；分别表示用户、窃听者的速率，且计算如下:Cu=1g (1+SNRU)、Ce=1g (l+SNRe)，其中SNRU、SNRe分别表示用户和窃听者的信噪比； 然后，把优化Cu和(；转化为分别优化SNRu和SNRe ;此时，目标成为最大化SNRU，同时各基站需要满足各自的功率约束，SNRe也要小于一个阈值，阈值取O至2之间的数，约束条件表示为: _对)s PiJ = H K SNRe ( re其中，
【文档编号】H04B7/06GK103546210SQ201310493232
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】苗萌, 李莉, 周涛, 张静, 罗汉文 申请人:上海师范大学