CN110149135A

CN110149135A - 多对大规模mimo双向中继网络通信传输方法及控制装置

Info

Publication number: CN110149135A
Application number: CN201910299069.1A
Authority: CN
Inventors: 彭张节; 王淑贤; 冯伟; 李敏; 贾楠楠; 方国杏; 杨茹; 王龙龙
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-08-20

Abstract

本发明涉及一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法及装置，其中方法包括：步骤S1：获取中继网络信息，并考虑莱斯信道对多用户MIMO双向中继通信***性能的影响得到各用户和各窃听用户的接收信号；步骤S2：根据各用户和各窃听用户的接收信号，分别确定接收信号与干扰加噪比；步骤S3：基于得到的接收信号与干扰加噪比确定各用户和各窃听用户的信道可达速率，并得到各用户的安全可达速率；步骤S4：基于各用户的安全可达速率，得到中继***的安全可达速率；步骤S5：基于得到的各用户的安全可达速率和中继***的安全可达速率控制中继***中中继和用户的数据发送速率。与现有技术相比，本发明可以提高通信安全。

Description

多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法及控制装置

技术领域

本发明涉及大规模MIMO双向中继网络的物理层安全领域，尤其是涉及一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法及装置。

背景技术

大规模多输入多输出(Multi-input multi-output,MIMO)技术已成为未来5G通信中革命性的技术之一，因为它可以极大地提升***的频谱效率、能量效率以及安全性。为了提高边缘用户的传输条件，增强其抗衰落和抗干扰性能，我们将无线中继技术引入到了移动通信***中。

双向中继作为无线中继技术的一种，凭借其特有的双向特性，可以获得比单向中继更高的频谱效率。在双向中继***中，两个用户之间交换信息比单向中继***所需的时间短得多。双向中继技术可以扩大传统蜂窝通信***信号的覆盖范围，而大规模MIMO技术可以提供极高的数据传输速率。于是，将大规模MIMO技术与双向中继技术相结合而产生了一种网络，即大规模MIMO双向中继网络，它能够同时利用这两项技术的优点，实现更高的传输速率与更广的覆盖范围。

然而，考虑到5G的普遍性和必要性，大量的敏感和机密信息将通过无线通道传输。如何防止信息被窃听将变得尤为重要，传统的方式是采用密码技术保护，但是密码技术保护仍然是通过软手段实现，本领域技术人员并不满足于此。

与通过密码技术保护数据安全的传统方法不同，物理层安全能巧妙地利用通信介质的不完善性来提供安全的无线传输。发明人发现物理层安全保护的手段可以通过设置一个安全可达速率，在这个速率内，信息可以被安全的送达，由于损耗等各种原因，这种特性可以有效地降低窃听用户的信号接收质量，从而防止他们从接收到的信号中获取机密信息。虽然瑞利衰落条件广泛地简化了所有的数学操作，但在大多数当发射机和接收机之间存在镜面反射或视距(line-of-sight，LoS)分量时，它并不能很好的捕获衰落变化。现实生活的通信环境中，通常存在很强的LoS分量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，包括：

步骤S1：获取中继网络信息，并考虑莱斯信道对多用户MIMO双向中继通信***性能的影响得到各用户和各窃听用户的接收信号：

其中：y_m为用户m的接收信号，ρ为放大系数，P_S为所有用户具有的相同的功率约束，为用户m和中继之间的下行信道，F为预编码矩阵，g_m'为用户m'和中继之间的上行信道，x_m'为用户m'向中继发送的信号，M为单天线用户的对数，g_i为用户i和中继之间的上行信道，x_i为用户i向中继发送的信号，n_R为中继处的高斯加性白噪声，n_m为第m个用户的原始噪声的复合噪声，y_Ei为第i个用户的窃听用户的接收信号，为用户i和中继之间的下行信道，n_i为窃听者i的复合噪声，用户m和用户m'构成通信对；

步骤S2：根据各用户和各窃听用户的接收信号，分别确定接收信号与干扰加噪比；

步骤S3：基于得到的接收信号与干扰加噪比确定各用户和各窃听用户的信道可达速率，并得到各用户的安全可达速率：

C_m＝[R_m-R_{eve_m}]⁺

其中：C_m为用户m的安全可达速率，R_m为用户m的信道可达速率，R_{eve_m}为用户m的窃听信道可达速率，[·]⁺为取值数大于等于零的符号，E{·}为输入随机变量的期望，SINR_m为用户m的接收信号与干扰加噪比，为第i个用户的窃听用户的接收信号与干扰加噪比；

步骤S4：基于各用户的安全可达速率，得到中继***的安全可达速率；

步骤S5：基于得到的各用户的安全可达速率和中继***的安全可达速率控制中继***中中继和用户的数据发送速率。

所述信干噪比具体为：

其中：||·||²为欧几里得范数，为n_m的方差，为n_i的方差，g_j为用户j和中继之间的上行信道。

所述步骤S3中各用户的安全可达速率近似取：

其中：为用户m的安全可达速率的近似值，为用户m的信道可达速率的近似值，为用户m的窃听信道可达速率的近似值。

所述中继***的安全可达速率具体为：

其中：C_sum为中继***的安全可达速率。

一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输控制装置，包括处理器、存储器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

C_m＝[R_m-R_{eve_m}]⁺

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明能够巧妙地利用通信介质的不完善性来提供安全的无线传输,这种特性可以有效地降低窃听用户的信号接收质量，从而防止他们从接收到的信号中获取机密信息。

2)根据中继的传输功率、用户发射功率、天线数和用户对数等信息得到***的最大安全可达速率，从而降低实现复杂度，减少资源消耗，为实际***的设计提供了很大的灵活性。

3)本发明通过在中继上使用最大比合并(Maximal ratio combining，MRC)方案和放大转发(Amplify and forward，AF)策略，即使用最大比率组合且对信号进行放大后转发，改善了边缘用户的传输条件，增强其抗衰落和抗干扰性能。同时考虑了信道估计误差与莱斯信道对多用户MIMO双向中继通信***性能的影响，所以本方法的方法更贴近实际***。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图

图2是本发明的***框图；

图3和图4是本发明实施例的***在不同功率场景下***安全可达速率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，本申请以计算机程序的形式由相应的计算机/嵌入式***实现，***包括处理器、存储器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，如图1所示，处理器执行程序时实现以下步骤：

步骤S1：获取中继网络信息，如图2所示是本申请***框图，中继有N根天线，发送端为M对单天线用户。用户和中继之间的上行信道为g_i，用户和中继之间的下行信道为g_i ^T。所有用户都具有相同的功率约束P_S,并且中继站的总功率约束由P_R表示。其中，M，N为正整数，g_i ^T表示g_i的转置。位于中继两侧的M对单天线用户与配备有N(N＞＞2M根天线的中继站之间相互交换信息，中继节点采用解码转发的协议，此外，当用户配对交换信息时，我们假定其他用户是希望解码信息的窃听者。

所有用户在相同的时频信道上同时向中继站发送信号，中继站的接收信号为：

其中，X＝[x₁,...,x_2M]^T，且Ε{XX^H}＝I_2M。x_i为均值为0且方差为1的高斯信号。n_R～CN(0,δ_R ²I_N)表示中继处的高斯加性白噪声(additive white Gaussian noise，AWGN)。G表示维度为N×2M的中继站与用户之间的信道矩阵。G＝HD^1/2，其中H表示维度为N×2M的用户与中继站之间的快衰落矩阵。维度为2M×2M的对角矩阵D表示大尺度衰落，其中[D]_ii＝η_ii。快衰落矩阵H可以写成其中Ω是2M×2M的对角矩阵，[Ω]_ii＝K_i，表示第i个用户的莱斯因子。(·)^-1表示矩阵的逆矩阵。H_w表示随机的部分，其元素独立同分布；表示确定的部分，设具有任意秩，θ_m是第m个用户的到达角，它均匀分布在[0,2π]上。

然后，中继的发送信号可以表示为：

y_t＝ρFy_r

其中y_t表示中继的发送信号，ρ表示放大系数，F表示预编码矩阵，y_r表示中继的接收信号。

之后考虑莱斯信道对多用户MIMO双向中继通信***性能的影响得到各用户和各窃听用户的接收信号：

具体的，考虑到第m个通信对(m,m')通过中继交换信息。因此，第m个用户的接收信号可以表示为：

其中y_m表示第m个用户的接收信号，n_m表示第m个用户的原始噪声的复合噪声。y_m包含四个部分：第一部分是用户m想要接收的信号，第二部分是自身发出的信号造成的干扰，第三部分为其他用户信号造成的干扰，最后一个部分是包含放大噪声和来自第m个用户的原始噪声的复合噪声。由于我们知道用户自身的信道状态信息以及放大系数，所以我们可以把第二部分的自身干扰信号消除。因此可以化简为：

当用户配对交换信息时，其他用户被认为是想要从用户那里获取信息的窃听者。类似地，窃听者i(i≠m,m')处的接收信号表示为：

其中y_Ei窃听者i(i≠m,m')处的接收信号，n_i表示窃听者i的复合噪声。y_Ei同样由四个部分组成。第一部分为窃听用户想要窃取的信号，第二部分由自干扰信号以及来自第i′个用户的发送信号组成，因为第i个用户与第i′个用户之间相互交换信息，所以我们假定第i个用户知道第i′个用户的信道状态信息。因此第二部分可以被抵消掉。因此可以化简为：

随后，我们可以得到用户m的接收信号与干扰加噪声比SINR_m

其中SINR_m表示用户m的接收信号与干扰加噪比，表示噪声n_m的方差||·||表示欧几里得范数。

这样，第i个窃听用户的信干噪比SINR_Ei可以写成

其中表示第i个用户的窃听用户的接收信号与干扰加噪比，表示噪声n_i的方差。

C_m＝[R_m-R_{eve_m}]⁺

中继***的安全可达速率具体为：

其中：C_sum为中继***的安全可达速率。

其中步骤S3中各用户的安全可达速率近似取：

其中：为用户m的安全可达速率的近似值，为用户m的信道可达速率的近似值，为用户m的窃听信道可达速率的近似值。之后，我们可以得出***的安全可达速率的近似表达式：

其中：表示***的安全可达速率的近似表达式。

本申请的工作原理为所有用户在相同的时频信道上同时向中继站发送信号，之后中继采用放大转发协议，将接收到的信号通过预编码矩阵以及放大系数进行放大，然后再将放大后的信号转发给用户。最后利用合法用户和窃听用户的信道可达速率，得出***的安全可达速率。

本申请的在莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络的物理层安全问题的解决方法，按以下步骤完成。首先，中继有N根天线，发送端为M对单天线用户，M对单天线用户通过配备有N(N>>2M)根天线的中继站相互交换信息。然后，推导出***的安全可达速率的闭合表达式，进而得到***安全可达速率的近似表达式。之后，在不同的功率调节方案下，讨论信道的可达速率、天线数和用户对数之间的数学关系，这为实际***的设计提供了很大的灵活性。故本发明的***性能更贴近真实***，有更高的实用价值。

下面以具体示例说明。

采用本申请的方法，其中M＝2,M＝4,K＝3dB,E_s＝20,E_R＝100。

采用本申请的方法，进行两种功率场景下安全可达速率测试，测试结果如图3和图4所示。

图3比较了场景一中***安全可达速率的理论结果以及近似表达式结果。场景一：P_S＝E_S,P_R＝E_R，其中E_S为用户功率的值，E_R为中继功率的值。图3中，横坐标表示天线数目，纵坐标表示***安全可达速率。

图3中，每条曲线代表的含义分别为：蓝色直线表示用户对M＝2时***安全可达速率的仿真值，蓝色星号表示用户对M＝2时***安全可达速率的近似值，红色虚线表示用户对M＝4时***安全可达速率的仿真值，红色圆圈表示用户对M＝4时***安全可达速率的近似值。该场景的***参数配置如下：中继天线数目从100至1000,M＝2,M＝4,K＝3dB,E_s＝20,E_R＝100。从图中可以看出，所有结果随着天线数N的增加而增加，而且近似值可以准确近似C_sum的值。此外，在M＝4时，***安全可达速率相对于M＝2时有了很大的提高，这意味着当用户对的数量增加时，***的安全可达速率也将提高。

图4比较了场景二中***安全可达速率的理论结果以及近似表达式结果。场景二：P_S＝E_S/N,P_R＝2ME_R/N，其中E_S为用户功率的值，E_R为中继功率的值，N是中继天线数目，M是用户数目。图4中，横坐标表示天线数目，纵坐标表示***安全可达速率。

图4中，每条曲线代表的含义分别为：蓝色直线表示用户对M＝2时***安全可达速率的仿真值，蓝色星号表示用户对M＝2时***安全可达速率的近似值。红色点划线表示用户对M＝4时***安全可达速率的仿真值，红色圆圈表示用户对M＝4时***安全可达速率的近似值。蓝色竖线表示用户对M＝2时***安全可达速率的上限值，红色虚线表示用户对M＝4时***安全可达速率的上限值。该场景的***参数配置如下：中继天线数目从100至1000,M＝2,M＝4,K＝3dB,E_s＝20,E_R＝100。从图中可以看出，近似值可以很好的近似C_sum的值，且当天线数N趋于无穷大时，数值结果以及近似表达式结果都接近于上限

Claims

1.一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，其特征在于，包括：

其中：y_m为用户m的接收信号，ρ为放大系数，P_S为所有用户具有的相同的功率约束，为用户m和中继之间的下行信道，F为预编码矩阵，g_m'为用户m'和中继之间的上行信道，x_m'为用户m'向中继发送的信号，M为单天线用户的对数，g_i为用户i和中继之间的上行信道，x_i为用户i向中继发送的信号，n_R为中继处的高斯加性白噪声，n_m为第m个用户的原始噪声的复合噪声，y_Ei为第i个用户的窃听用户的接收信号，为用户i和中继之间的下行信道，n_i为窃听者i的复合噪声，用户m和用户m’构成通信对；

C_m＝[R_m-R_{eve_m}]⁺

2.根据权利要求1所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，其特征在于，所述信干噪比具体为：

3.根据权利要求1所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，其特征在于，所述步骤S3中各用户的安全可达速率近似取：

4.根据权利要求1所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输方法，其特征在于，所述中继***的安全可达速率具体为：

其中：C_sum为中继***的安全可达速率。

5.一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输控制装置，其特征在于，包括处理器、存储器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

C_m＝[R_m-R_{eve_m}]⁺

6.根据权利要求5所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输控制装置，其特征在于，所述信干噪比具体为：

7.根据权利要求5所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输控制装置，其特征在于，所述步骤S3中各用户的安全可达速率近似取：

8.根据权利要求5所述的一种莱斯信道中多对大规模MIMO双向中继网络通信传输控制装置，其特征在于，所述中继***的安全可达速率具体为：

其中：C_sum为中继***的安全可达速率。