[发明专利]一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法

说明书

本发明公开了一种多天线预均衡时间反转安全传输系统预均衡器的构建方法，针对存在窃听者的单用户时间反转传输系统，以保密速率最大化为优化目标对预均衡器进行优化设计。先建立满Karush‑Kuhn‑Tucker(KKT)一阶必要条件的解的数学模型，然后将该解的求解转换为矩阵的最大特征值的求解问题，并给出一种迭代算法来求解。相比较对采用常规匹配预滤波器的多天线时间反转传输系统，本发明给出的方案具有更高的保密传输速率，且只需要对一个预均衡器进行优化。

技术领域

本发明涉及信息通信领域，具体是构建多天线预均衡时间反转安全传输系统中的预均衡器。

背景技术

在无线通信系统中，发送信号会经过不同的路径到达接收端，造成信号的时延扩展，产生符号间干扰(Inter Symbol Interference，ISI)。RAKE接收和接收均衡可消除或减轻ISI，并能使各径传输信号的能量聚集起来增强接收信号的强度。对于处理能力和功耗限制较大的接收机，如物联网中的节点，常不能采用较为复杂的接收均衡器或RAKE接收。时间反转(Time Reversal，TR)传输是一种在发送端对发送信号进行预处理，实现对无线信道中的多径传输进行利用的技术。TR传输一般分为两步：首先是接收端发送一个信道探测脉冲信号给发送端，发送端根据接收到的脉冲信号估计得到多径信道的脉冲响应(ChannelImpulse Response，CIR)，发送端将CIR的时间反转和共轭作为TR预滤波器的抽头系数；然后发送信号经过TR预滤波器滤波后再发送到信道上。TR传输系统中处理主要在发送端，接收端的复杂度很低。TR预滤波器和多径信道互为匹配滤波器，信号经过TR滤波和信道传输后，在特定时刻会在期望的接收机处出现明显的能量峰值，而在偏离峰值的时刻能量有明显的衰减。在其他不同位置上的接收端，由于信道特性不同，预滤波器与信道不是匹配滤波关系，接收信号的能量峰值明显低于期望接收机。该特性称为TR传输的空域和时域聚焦特性。TR传输早期的研究主要针对水声通信，近年来在无线通信的应用也受到了关注。文献[Wang Beibei,Wu Yongle,Han Feng,et al.Green wireless communications:a time-reversal paradigm[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(8):1698-1710.doi:10.1109/JSAC.2011.110918.]验证了TR的时空聚焦性，证明TR通信系统中射频能量的泄露更少，对非期望接收机的干扰更低。TR传输的时间聚焦性能在一定程度上减弱ISI，但ISI仍然存在，在时延扩展较大的情况下仍然会对信号接收带来较为严重的影响。在不采用接收均衡的情况下，可以采用对发送信号进行上采样，以增大发送符号间隔的方式减轻ISI，但会造成频谱效率下降；也可以针对最小化ISI的要求或最大化信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR)的要求对TR预滤波器的抽头系数进行优化。文献[Lei Weijia,Yao Li.Performance analysis of time reversalcommunication systems[J].IEEE Communications Letters,2019,23(4):680-683.]推导了TR系统中接收端信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)的概率密度函数和累积分布函数，分析了遍历容量、中断概率和BPSK调制下误码率，并说明了ISI随着上采样因子的增加而减少。文献[Kyritsi P,Stoica P,Papanicolaou G,et al.Time reversal and zero-forcing equalization for fixed wireless access channels[J].1977 11th AsilomarConference on Circuits,Systems and Computers,1977.Conference Record,2005:1297-1301.]将均衡准则应用在TR滤波器的设计中，通过实际测试表明，相比较采用常规匹配预滤波器，采用所提方案设计的TR滤波器能获得更低的误码率。