[发明专利]一种中继协作网络下多用户MIMO通信保密方法

权利要求书

1.一种中继协作网络下多用户MIMO通信保密方法，中继协作网络包含K个发送端T，一个中继端R，K个接收端r，一个窃听端E，发送端配备M根天线，中继端配备S根天线，接收端配备N根天线，窃听端配备L根天线，所有节点的天线数都不少于一根，中继端R采用全双工放大转发方式，发送端T发送的数据流d和中继端R发送的人工噪声数据流d_an均小于发送端天线M、接收端天线N中的较小值，发送端T和中继端R对于窃听端E的信息是知晓的，以此来判断窃听信道是否存在零空间，从而决定是否要发送人工噪声来干扰其窃听速率，保证安全通信，其特征在于，中继协作网络下多用户MIMO通信保密方法包含下列步骤：

步骤一：初始化存在窃听用户的两跳MIMO中继网络，各节点的天线数不少于1；

步骤二：根据窃听端与发送端和中继端天线数量的比较，采用不同的保密通信方法；

1)当LM，LS时，发送端T到窃听端E有零空间，信息可以直接在窃听信道的零空间传输，窃听端E窃听不到目标信号，此时中继端R不需要发送人工噪声，

第一时隙，发送端T广播信号，中继端R和接收端r都接收信号，窃听端E窃听信号，

中继端R接收的信号为：

接收端r收到的信号为：

窃听端E收到的信号为:

式中P_i表示发送端T_i发送的功率，E[||x^[i](1)||²]＝P_i，为发送端T_i到中继端R的S×M维复数域信道系数，为发送端T_i到接收端r的N×M维复数域信道系数，表示服从复高斯分布，为发送端T_i到窃听端E的L×M维复数域信道系数，x^[i](1)表示发送端T_i在第一时隙发送的目标信号，n^[R],n^[r],n^[E]分别为中继端R、接收端r，窃听端E的噪声矢量，符合均值为0，方差为独立同分布的复高斯随机变量；

2)当L≥M,L≥S时，发送端T到窃听端E无零空间，中继端R需发送人工噪声来干扰窃听端E窃听，

第一时隙，发送端T发送信号，中继端R采用S_i根天线接收有用信号，S_j根天线接收自干扰信号，S_R根天线发送人工噪声，

中继端R接收信号为：

式中为中继端R到中继端R的S×S维复数域信道系数，z^[R](1)表示中继端R以功率P_R在第一时隙发送的包含d_an数据流的目标信号，

接收端的信号为：

式中为中继端R到接收端r的N×S维复数域信道系数；

窃听端接收信号为：

式中为中继端R到窃听端E的L×S维复数域信道系数；

步骤三：1)当LM，LS时，发送端T再次发送信号，中继端R转发信号，接收端r接收信号，窃听端E窃听信号，

接收端r收到的信号为:

式中x^[i](2)表示发送端T_i在第二时隙发送的目标信号，为中继端R到接收端r的N×S维复数域信道系数，P_R为中继端R的发送功率，x^[R](2)＝βy_R(1)为中继端R转发的信号，β为放大转发因子，

窃听端E接收的信号为:

式中为中继端R到窃听端E的L×S维复数域信道系数；

2)当L≥M,L≥S时，第二时隙，发送端T再次发送信号，中继端R采用d根天线发送保密数据流，剩余S-d根天线用于发人工噪声，此时的中继端R不接收信号，

接收端r接收信号为:

式中ρ∈(0,1)是功率分配因子，

窃听端E接收信号为:

步骤四：1)当LM，LS时，满足如下条件时，接收端可以消除其他用户的干扰：

式中，表示第i个发送端T发送目标信号的预编码矩阵，其为M×d维复数域矩阵，且满足d^[i]为第i个发送端的数据流数目，表示V^[i]的共轭转置矩阵，为单位矩阵；表示第k个发送端T发送目标信号的预编码矩阵，其为M×d维复数域矩阵，且满足d^[k]为第k个发送端的数据流数目，表示V^[k]的共轭转置矩阵，为单位矩阵；表示第k个接收端r接收目标信号的干扰抑制矩阵，其为N×d维复数域矩阵，且满足表示U^[k]的共轭转置矩阵；等效信道：表示第i个发送端T到第k个接收端r的N×M维复数域信道矩阵，表示第i个发送端T到中继端R的S×M维复数域信道矩阵，表示中继端R到第k个接收端r的N×M维复数域信道矩阵，表示第k个发送端T到第k个接收端r的N×M维复数域信道矩阵，表示第k个发送端T到中继端R的S×M维复数域信道矩阵，表示中继端R到第k个接收端r的N×S维复数域信道矩阵，并且各个信道之间满足独立同分布(i.i.d)，接收端r收到的其他用户的干扰，可以基于最小干扰泄露准则的分布式干扰对齐算法来实现，具体实施方法如下：

Step1-1:初始化预编码矩阵使满足

Step1-2:开始迭代；

Step1-3:计算下行链路第k个用户的干扰协方差矩阵

式中Q^[k](1),Q^[k](2)二者都可以通过以下式子求得：

式中d_i表示下行链路第i个用户发送的数据流数目；

Step1-4:计算下行链路第k个用户的干扰抑制矩阵

式中U^[k](1),U^[k](2)二者都可以通过以下式子求得，即

上式表示求Q^[k]的d^[k]个最小特征值对应的特征向量组成的矩阵；

Step1-5:逆转通信方向，令计算上行链路第k个用户的预编码矩阵

Step1-6:计算上行链路第k个用户的干扰协方差矩阵

式中二者都可以通过以下式子求得：

式中表示上行链路的发送端预编码矩阵，表示上行链路的信道矩阵，表示上行链路第j个用户的发送功率，d_j表示上行链路第j个用户发送的数据流数目；

Step1-7:计算上行链路第k个用户的干扰抑制矩阵

式中二者都可以通过以下式子求得，即

上式表示求的d^[k]个最小特征值对应的特征向量组成的矩阵；

Step1-8:逆转通信方向，令

Step1-9:继续迭代，更新U^[k]，计算干扰泄露值直至其小于给定的门限值，即收敛，结束迭代；

Step1-10:输出V^[k],U^[k]；

Step1-11:否则返回Step1-3，

将输出的V^[k],U^[k]代入：

式中，IL^[k]表示下行链路第k个用户收到的其他用户干扰泄露值；此时，得到最小化干扰泄露的目标函数为：

此时，接收端r接收信号的矩阵形式为：

式中X^[k]表示第k个用户发送的包含d^[k]个数据流的信号向量，表示第k个用户接收的加性高斯白噪声向量，

第k个用户的传输速率为：

式中I_d表示d×d维单位矩阵，P_k表示第k个用户的发送功率；

窃听端的窃听速率为：

系统安全速率为：

式中表示取x与0中较大值，定义信道矩阵其中表示窃听端干扰抑制矩阵U^[E]的共轭转置矩阵，满足G^[Ek]表示第k个用户到窃听端E的信道矩阵；

2)当L≥M,L≥S时，中继端R的自干扰问题，通过天线干扰消除或射频干扰消除或数字干扰消除的方法来消除，满足如下条件时，接收端可以消除其他用户和人工噪声的干扰：

式中表示中继端R发送人工噪声的S×d_an维复数域预编码矩阵，且满足为单位矩阵；等效信道：接收端r收到的其他用户和人工噪声的干扰，可以通过基于最小干扰泄露准则的分布式干扰对齐算法来实现，具体实施方法如下：

Step2-1:初始化预编码矩阵使满足使满足

Step2-2:开始迭代；

Step2-3:计算下行链路第k个用户的干扰协方差矩阵

式中Q^[k](1),Q^[k](2)二者都可以通过以下式子求得：

式中P_an为中继端R发送人工噪声的功率，且满足P_an＝(1-ρ)P_R；

Step2-4:计算下行链路第k个用户的干扰抑制矩阵

式中U^[k](1),U^[k](2)二者都可以通过以下式子求得，即

上式表示求Q^[k]的d^[k]个最小特征值对应的特征向量组成的矩阵；

Step2-5:逆转通信方向，令计算上行链路第k个用户的预编码矩阵

Step2-6:计算上行链路第k个用户的干扰协方差矩阵

式中二者都可以通过式(25)求得，二者都可以通过式(26)求得：

Step2-7:计算上行链路第k个用户的干扰抑制矩阵人工噪声的干扰抑制矩阵

式中二者都可以通过式(27)求得，二者都可以通过式(28)求得：

上式和分别表示求和的d^[k]个最小特征值对应的特征向量组成的矩阵；

Step2-8:逆转通信方向，令

Step2-9:继续迭代，更新U^[k]、计算干扰泄露值直至其小于给定的门限值，即收敛，结束迭代；

Step2-10:输出V^[k]、U^[k]、W^[k]；

Step2-11:否则返回Step2-3，

将输出的V^[k]、U^[k]、W^[k]代入：

式中，IL^[k]和分别表示下行链路第k个用户接收到的其他用户干扰泄露值和人工噪声干扰泄露值，得最小化干扰泄露的目标函数为：

此时，接收端r接收信号的矩阵形式为：

第k个用户的传输速率为：

窃听端的窃听速率为：

系统的安全速率为：

式中等效信道矩阵