[发明专利]安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法

说明书

本发明提供了一种安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法。针对空间调制系统中物理层安全传输问题，通过联合发射人工噪声信号和设计线性预编码的方法，将人工噪声信号投影到期望信道的零空间上，同时依照最大化近似的安全速率的准则设计线性预编码矩阵，建立最大化近似安全速率的优化问题，对于该非凸的二次约束的二次规划将原问题转化成凸差规划问题，然后使用一阶泰勒级数展开和连续凸近似的方法迭代求解凸的子优化问题，获得原问题的近似最优解。基于连续凸近似的线性预编码算法，与传统的基于梯度下降法的线性预编码算法相比，其能实现更高的安全速率，因为梯度下降法可能会陷入局部最优解。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法。

背景技术

近些年来，随着移动互联网和智能终端技术的飞速发展，高速无线通信的流量需求急剧增加。空前的移动数据需求极大地促使通信研究人员发展新的传输技术来提高频谱效率，同时降低系统的设计复杂度。空间调制技术通过只激活一根发射天线，因此发射机结构被极大地简化，同时该激活天线序号携带比特信息，一定程度上带来频谱效率的提升。

但是，无线通信信道具有开放性、广播性，极易受到第三方的窃听和干扰。随着计算机的计算能力大幅度地提升，在协议层采用密钥加密的安全传输方法并不能保证安全通信，窃听者仍能通过破解密钥窃取保密信息。物理层安全技术通过利用无线信道的差异性，使得窃听者无法接收到保密信息，或无法从噪声中有效恢复保密信息，从而确保了无线通信的安全性。空间调制系统通过天线序号传输部分比特信息，在某种程度上能进一步提高安全性。

另一方面，线性预编码技术也被广泛应用于闭环通信系统，提高系统的传输速率，降低误码率，以及提高安全速率等。本发明针对安全空间调制系统，采用基于的最大化连续凸近似的线性预编码方法，实现提高系统的安全速率，使通信网络实现更安全的信息传输。传统的空间调制系统中基于最大化安全速率的线性预编码算法可以提高系统的安全速率，但由于安全速率并没有闭式解，需要大量估计准确的安全速率，因此该方法的计算复杂度非常高，在发射机的天线数目趋于大规模时，该方法在实际应用中难以实现。因此，本发明首先提出通过最大化近似安全速率的准则，然后使用半正定松弛和连续凸近似的方法，有效地求解该优化问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供安全空间调制系统中基于连续凸近似的线性预编码方法，首先建模发射机-接收机信号模型，通过求解闭式的近似安全速率，蒙特卡洛仿真结果表明该近似是非常紧的，然后建立基于最大化近似安全速率的线性预编码优化问题，通过使用半正定松弛和连续凸近似技术获得该优化问题的近似解，该方法能够显著降低计算复杂度，同时提升安全速率性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：发射机利用已知的信道状态信息，在期望信道的零空间发射人工噪声信号；同时，对发射的空间调制信号进行线性预编码，提高该系统的安全速率性能。在求解线性预编码矩阵过程中，主要通过建立最大化近似安全速率优化问题，使用半正定松弛和连续凸近似的方法，求得该优化问题的近似最优解。然后，根据空间调制的基本原理，将比特信息映射为调制符号和天线序号，生成空间调制信号后，将其与求解预编码矩阵相乘，最后加上人工噪声信号得到实际发射信号。另外，发射机需要将线性预编码矩阵信息通过一个低速率的反馈信道反馈给期望接收机，以便期望用户能正确译码，但窃听用户无法有效恢复有用信息，具体实施过程包括：

S1.利用已知的信道状态信息，设计人工噪声投影矩阵，产生随机的人工噪声向量，利用投影矩阵将人工噪声投影到期望信道的零空间上；S2.利用空间调制的基本原理和已知的信道状态信息，建模发射与接收信号理论模型，推导近似安全速率与线性预编码矩阵的函数关系；S3.推导近似安全速率表达式，建立最大化近似安全速率，同时根据预编码前后不改变平均发射功率的准则，设定约束条件；S4.为解决上面的非凸的优化问题，先使用半正定松弛技术，将原问题转换成DC规划问题，然后使用连续凸近似方法迭代求得该问题的近似最优解。