[发明专利]一种基于白化滤波的最大化接收功率的波束成形方法

说明书

本发明提供了一种基于白化滤波的最大化接收功率的波束成形方法。通过接收波束成形的设计，抑制来自全双工窃听者的恶意干扰，同时最大化有用信号的接收功率，以提升系统的安全性能。首先利用已知的信道状态信息，对合法用户接收到的有色噪声进行白化噪声矩阵的设计。进一步地，对合法用户的接收信号预乘白化噪声矩阵，并且建立最大化有用信号功率的优化问题。将优化问题转化为平均最大化接收功率问题，通过Rayleigh‑Ritz方法设计接收波束成形向量。本发明与传统的最大化接收功率相比在安全速率和误码率上得到了极大地提升，能够在具有全双工窃听者的安全空间调制系统中有效抑制恶意干扰，提高合法用户获取有用信息的能力，更好地提升了系统的安全性能。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于白化滤波的最大化接收功率的波束成形方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术一次又一次飞跃性地创新发展，无线网络已广泛应用于民用和军事领域。空前的移动数据需求、无线资源需求和大量的连接等使得无线通信面临越来越大的挑战。这极大地促使通信研究人员革新创造新的传输技术，在多种技术中，空间调制技术通过只激活一根发射天线来发射信号，使得系统具有更高频谱效率，同时降低系统的设计复杂度且兼容大规模MIMO，具有极大的发展前景。

然而，无线通信信道极易受到第三方的窃听和干扰，物理层安全问题愈发引起了人们的关注。因此越来越多的通信研究人员关注并且研究物理层安全问题的解决方案，通常利用无线信道的差异性以及发送针对窃听者的人为噪声，来阻止窃听者对保密信息的有效恢复。然而，在传统的安全空间调制系统中，认为窃听用户只能被动窃听有用信息。但是在最为恶劣的情况下，应当考虑窃听用户不仅能窃听有用信息，还可以主动发送干扰到合法用户处，干扰合法用户对有用信号的接收和解调。

因此，不同于传统的空间调制系统，本发明考虑了窃听者处于全双工的工作模式下，不仅可以窃听有用信息，还可以对合法用户发送例如人工噪声等恶意干扰信号，则传统的安全空间调制系统就变成了安全的全双工窃听者空间调制系统。为了削弱窃听者的恶意干扰，本发明在合法用户接收端设计波束成形向量。由于接收端的噪声由窃听者的恶意干扰、发射端人工噪声和信道加性高斯白噪声组成，也就是说，接收端的噪声是有色噪声。因此，本发明提出了基于白化滤波的最大接收功率波束成形设计方法，使恶意干扰得到削弱，安全速率得到提升，同时实现了信息的可靠传输。

发明内容

为了在全双工窃听者空间调制系统中保证系统的安全性能，本发明提供一种基于白化滤波的最大化接收功率的波束成形方法。首先求出接收端所有干扰与加性噪声的总和也就是有色噪声的协方差矩阵，其次根据协方差矩阵求出有色噪声的白化噪声矩阵。对接收信号左乘白化噪声矩阵，将有色噪声白化，对预乘白化噪声矩阵的接收端有用信号建立最大化功率的优化问题。进一步地，用最大化平均接收信号功率来对优化问题进行转换。最后通过Rayleigh-Ritz方法设计基于白化滤波的最大化接收信号功率的接收波束成形向量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括：对期望用户接收端设计有色噪声的协方差矩阵；根据有色噪声的协方差矩阵设计白化噪声矩阵，将有色噪声白化；接收端波束成形向量以最大化预乘白化噪声矩阵的接收端有用信号为目标，用Rayleigh-Ritz方法设计波束成形向量。

进一步地，具体过程包括：S1.利用已知的信道状态信息，对合法用户Bob接收到的来自Mallory的恶意干扰、来自Alice的残余人工噪声和接收端的加性噪声设计协方差矩阵，并根据协方差矩阵求得上述有色噪声的白化噪声矩阵；S2.对合法用户Bob处的接收信号左乘白化噪声矩阵，将有色噪声进行白化，并且建立最大化预乘白化噪声矩阵后的有用信号功率的优化问题；S3.利用最大化平均接收信号功率的思想对上述优化问题进行化简转化；S4.通过Rayleigh-Ritz方法设计基于白化滤波的最大化接收信号功率的接收波束成形向量。