一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统及其传输方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统，以及一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适应选择的传输方法。模型是单中继的通信系统，包括发送信号源、非可信中继和合法接收节点。本策略中发送源仅需要知道信道量化于码本中的标号，而无需知道信道完全状态信息(CSI)。通过反馈比特数的合理选择，在达成接收信干噪比(SINR)阈值要求的情况下最小化安全中断概率，使系统兼顾安全性和可靠性。
【专利说明】-种基于有限反馈的多天线非可信中继系统及其传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于多天线协同中继无线通信系统，更具体地说，涉及一种基 于有限反馈的多天线非可信中继系统，以及一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统的 反馈比特数自适应选择的传输方法。
【背景技术】
[0002] 无线通信物理层安全的核心思想是探究无线通信系统的物理特性以提供安全通 信环境。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，使窃听者无 法接收到保密信号，可直接从物理层保障信息传输的安全性。基于香农的信息安全理论， Wyner首先提出了安全容量概念，定义为在窃听干扰下能可靠传输信息的最大速率，反映了 可安全传输的信息量的多少，是衡量系统安全性能的标准。最优化的安全通信就是使合法 接收节点的容量最大化，同时使窃听节点的容量最小化。
[0003] 协同中继网络的三节点通信模型与传统搭线通信模型相比，主要区别是前者存在 外部窃听节点。即使不存在外部窃听，信息也有可能被非可信中继所窃听。非可信中继在 帮助转发信息的同时，也在试图窃听信息，此时非可信中继就成为内部窃听者。通过引入友 好干扰节点，含有非可信中继的协同通信系统可获得正安全容量当中继采用解码转发方式 传输时，中继节点优先于目的节点收到更准确的解码信号，无法获得正安全容量，故非可信 中继通信系统一般采用放大转发中继。
[0004] 当前协同中继系统物理层的安全性能分析主要包括安全容量、安全中断率等；安 全传输方法包括波束成形、协作干扰等；安全节点选择方法包括中继选择、友好干扰选择 等。这些工作均假设发送节点已知完全的CSI。然而在许多实际通信场合，发送节点通常难 以获得完全CSI。针对此问题，有限反馈技术可使得发送节点获得部分CSI。如何合理设计 有限反馈比特数，在获得部分CSI情况下保障系统的安全性，同时兼顾系统的可靠性，具有 很重要的现实意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对目前协同中继网络物理层安全的探 究中缺少考虑不能获得完全CSI的情况，本发明提供了一种基于有限反馈的多天线非可信 中继系统，以及一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适应选择的传 输方法。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于有限反馈的多天线非可信中继系统，该通信系统的结构包括一个发送信 号源S节点、一个非可信中继R节点和一个合法接收D节点，S节点、R节点和D节点天线数 目分别为M，1，M，R节点为放大转发非受信中继；采用有限反馈技术获取S-R信道的信道状 态信息CSI，通过训练信号估计出R-D的信道状态信息CSI。
[0008] -种基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适应选择的传输方 法，一个完整的通信过程在两时隙内完成：
[0009] 第一时隙，S节点向R节点发送待传输信号，同时D节点向R节点发送人工噪声干 扰；第二时隙，R节点将第一时隙接收的信号放大后向D节点发送。
[0010] 作为优选，具体步骤如下：
[0011] 步骤1 :s节点和R节点建立公共随机码本
【权利要求】
1. 一种基于有限反馈的多天线非可信中继系统，其特征在于，该通信系统的结构包括 一个发送信号源S节点、一个非可信中继R节点和一个合法接收D节点，S节点、R节点和D 节点天线数目分别为M，1，M，R节点为放大转发非受信中继；采用有限反馈技术获取S-R信 道的信道状态信息CSI，通过训练信号估计出R-D的信道状态信息CSI。
2. -种基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适应选择的传输方法， 其特征在于，一个完整的通信过程在两时隙内完成： 第一时隙，S节点向R节点发送待传输信号，同时D节点向R节点发送人工噪声干扰； 第二时隙，R节点将第一时隙接收的信号放大后向D节点发送。
3. 根据权利要求2所述的基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适 应选择的传输方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤1 :S节点和R节点建立公共随机码本
，其中N = 2B，B为反馈比特 数； 步骤2 :S节点向R节点发送训练信号，当无训练估计误差时，R节点将获得的S-R 的信道系数hSK归一化为信道方向信息
，根据最小弦距离方法，即可得到
^即将
估计为
，之后R节点将码字序号η反馈给S节点； 步骤3 :第一个传输时隙，S节点和D节点同时采用最大比发送方式发送信号至R节点， S节点和D节点的波束成形向量分别为
R节点的接收信号
为 其中，Xl为S节点发送的是保密信号，χ2为D节点发 ， 送的是人工噪声信号，Ρ为平均发送功率，^为零均值复高斯噪声变量； R节点的接收信号与干扰加噪声比SINR为
步骤4:第二个传输时隙，R节点经过放大后，发送信号至D节点，其中，中继放大因子为 V II yj I，为最大化接收端信噪比，D节点采用最大比合并方式接收，则D节点进行自干扰消 除后，接收信号为
D节点的接收信号与干扰加噪声比SINR为
4. 根据权利要求3所述的基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适 应选择的传输方法，其特征在于，进一步包括： 步骤5 :只假设R节点已知第一时隙R-D信道系数的统计平均
并完全已 知第二时隙R-D信道系数hKD，进而推得系统安全中断概率P { γ ' γ 2}的闭合表示式是关于 B的单调增函数，亦可推得目标容量为Q的系统传输中断概率
的闭合表达 式是关于B的单调减函数； 步骤6 :设存在一个阈值ε >0,当目标节点的接收信号与干扰加噪声比51顺值γ2〈 ε 时，系统传输中断；而当Υ2>ε时，系统则能够正常接收，得到反馈比特数为：
步骤7 :系统自适应的选择Β。
5. 根据权利要求3所述的基于有限反馈的多天线非可信中继系统的反馈比特数自适 应选择的传输方法，其特征在于，步骤1中，量化码本中每个码字丨是预先随机生成的一个 Μ维的复单位向量。
【文档编号】H04B7/06GK104104422SQ201410323124
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】赵睿, 吴亚峰, 贺玉成, 龚艳君 申请人:华侨大学