基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，該方法構(gòu)建了低復雜度信道估計用以區(qū)分授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶的信道估計性能，實現(xiàn)了基站和授權(quán)用戶之間的安全通信。該方法是已有的差異信道估計方法和多項式展開法的有效結(jié)合。該方法首先利用反向、前向的差異信道估計方法實現(xiàn)授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶端的信道估計的性能差異。再針對大規(guī)模天線信道之間存在相干性的情況，引入多項式展開的方法近似表示非對角大維度矩陣的逆運算，降低計算復雜度，提高了系統(tǒng)的實時性。最后通過能量最優(yōu)分配實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。
【專利說明】基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算機通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于低復雜度差異信道估計的物 理層安全方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，手機-基站的寬帶接入方式是下一帶移動通信系統(tǒng)5G寬帶接入的主流方式 之一。媒介之間的無線空中接口由于天然開放特性容易遭受攻擊。目前，無線移動通信的 安全性是通過上層安全協(xié)議來保證的，該安全部分依賴于密鑰，但主要依賴于計算安全。然 而，目前的密鑰產(chǎn)生和分發(fā)無法作到香農(nóng)信息論意義下的安全性。如何保證未來移動通信 寬帶無線接入的安全性具有重要的研究意義。
[0003] 近年來，物理層安全技術(shù)快速發(fā)展并得到廣泛關(guān)注。研究表明信息通信的安全 問題可以通過提取基站與授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶之間的不同的信道特性實現(xiàn)。當授權(quán)用 戶和非授權(quán)用戶之間存在服務質(zhì)量（QualityofService,QoS)差異，即基站與授權(quán)用戶 之間估計性能優(yōu)于基站與非授權(quán)用戶，基站可以安全地向授權(quán)用戶發(fā)送信息，而非授權(quán)用 戶無法從中竊聽到信息。目前文獻中已有針對無線MM0系統(tǒng)的差異信道估計方法，利 用該方法構(gòu)建安全的無線通信系統(tǒng)。即通過導頻信號的反向訓練（授權(quán)用戶到基站之 間的信道）估計下行鏈路的信道狀態(tài)信息（ChannelStateInformation,CSI)分1"，根 據(jù)TDD模式下的信道互易性，得到基站的信道狀態(tài)信息#。根據(jù)獲知的F設(shè)計人工噪聲(ArtificialNoise，AN)，人工噪聲被放置在片的左零空間。在導頻信號的前向訓練（基站 到授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶）階段，導頻信號疊加人工噪聲作為訓練信號。因人工噪聲的影 響，授權(quán)用戶處得到的信道估計性能優(yōu)于非授權(quán)用戶的估計性能。多項式展開（Polynomial Expansion,PE)是一種可以有效降低大維度矩陣逆運算的方法。多項式展開通過L階矩陣 多項式來近似表示一個矩陣函數(shù)。L描述了每個近似的特征值倒數(shù)的精確程度，因而L無需 隨著矩陣維數(shù)的增大而增大以實現(xiàn)近似的最優(yōu)性能。通常情況下，L的選取需要在計算復 雜度和系統(tǒng)性能之間折中。多項式展開可以用于在大規(guī)模MIM0系統(tǒng)中降低計算復雜度，通 過漸近分析來優(yōu)化矩陣的多項式以保證良好的系統(tǒng)性能。
[0004] 大規(guī)模MIM0是下一代移動通信中的一種重要技術(shù)。因而，針對大規(guī)模MIM0系統(tǒng)構(gòu) 建差異信道估計以實現(xiàn)通信安全也具有重要的意義。在構(gòu)建差異信道估計時，需要計算信 道估計的最小均方誤差矩陣，其中涉及矩陣的逆運算，在大規(guī)模MIM0系統(tǒng)下，該運算的計 算復雜度極高。而當信道估計中涉及的矩陣均為對角矩陣時，可避免此高復雜度運算。但 由于在大規(guī)模MIM0系統(tǒng)中，存在天線之間距離不夠充分的情況，即大規(guī)模MIM0的信道之間 有著明顯的空間相干性，信道的協(xié)方差矩陣一般不是對角矩陣。多項式展開可以用以降低 大維度矩陣的逆運算的復雜度。因而，若能夠利用多項式展開構(gòu)建針對大規(guī)模MM0無線通 信系統(tǒng)的低復雜度的差異信道估計具有現(xiàn)實意義。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供了一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，該方 法解決了上述的大規(guī)模MM0無線通信系統(tǒng)的安全通信問題。該方法假定應用場景是在時 分雙工（TimeDivisionDuplexing,TDD)下，大規(guī)模天線之間不能提供足夠大的距離，天線 之間存在空間相干性，通過構(gòu)建差異信道估計，使得基站與授權(quán)用戶之間的信道估計性能 優(yōu)于基站與非授權(quán)用戶之間的。由于天線之間存在相干性，即信道矩陣的協(xié)方差矩陣為非 對角矩陣，其求逆運算復雜度極高。利用多項式開展近似表示矩陣求逆的過程，通過選取合 適的階數(shù)L達到計算復雜度和系統(tǒng)性能之間的折中，以實現(xiàn)在較低的計算復雜度情況下達 到近似最優(yōu)的系統(tǒng)性能。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明提供的一種基于低復雜度差 異信道估計的物理層安全方法，該方法利用導頻信號的反向、前向訓練使在授權(quán)用戶、非授 權(quán)用戶處估計的信道狀態(tài)信息性能不同，即令授權(quán)用戶處的信道估計性能優(yōu)于非授權(quán)用戶 處的，以實現(xiàn)基站可以安全地向授權(quán)用戶發(fā)送信息，而非授權(quán)用戶無法從中竊聽到信息。針 對計算最小均方誤差時存在矩陣為非對角矩陣的情況，利用多項式展開近似矩陣的求逆過 程，降低計算復雜度。最后通過最優(yōu)的能量分配實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能
[0007] 方法流程：
[0008] 步驟1 :授權(quán)用戶發(fā)送導頻到基站，估計上行鏈路的信道；根據(jù)信道的互易性，得 到下行鏈路信道的估計；
[0009] 步驟2 :根據(jù)下行鏈路的信道估計，設(shè)計人工噪聲?；就瑫r向授權(quán)用戶、非授權(quán) 用戶發(fā)送導頻和人工噪聲的疊加信號，授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶同時獲得各自的信道狀態(tài)信 息的估計，并計算相應的最小均方誤差；
[0010] 步驟3 :利用多項式展開近似計算前向訓練中授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶處信道估計 的最小均方誤差；
[0011] 步驟4:通過對反向訓練導頻信號、前向訓練導頻信號和人工噪聲的能量的最優(yōu) 分配，實現(xiàn)最優(yōu)的差異信道估計性能。
[0012] 本發(fā)明應用于TDD模式下的大規(guī)模MM0無線通信系統(tǒng)，基站天線之間存在明顯的 空間相干性。
[0013] 有益效果：
[0014] 1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)基站與授權(quán)用戶之間的安全通信。
[0015] 2、本發(fā)明利用多項式展開近似表示矩陣的求逆過程，在保證系統(tǒng)性能的前提下， 大幅降低了系統(tǒng)的計算復雜度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的場景示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0018] 以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明專利作進一步的詳細說明。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)為存在非授權(quán)用戶（竊聽用戶）的大規(guī)模MM0無線通信 系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一個基站、一個授權(quán)用戶和一個非授權(quán)用戶，其中基站的天線之間存在明顯 的空間相干性，且基站的天線數(shù)量遠大于授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶。基站向授權(quán)用戶發(fā)送信 號，因存在非授權(quán)用戶，基站與授權(quán)用戶之間的通信可能被非授權(quán)用戶竊聽到。因而授權(quán)用 戶與基站之間進行基于導頻的反向鏈路信道估計，得到反向鏈路信道札的估計。根據(jù)TDD 下的信道互易性，因而基站可以得到前向鏈路信道Hf的估計?；靖鶕?jù)得到的信道估計，設(shè) 計人工噪聲，向授權(quán)用戶發(fā)送包含人工噪聲的訓練信號，授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶得到各自的 信道Hf、Hu的估計。因人工噪聲的存在，可以保證在不干擾授權(quán)用戶的前提下降低非授權(quán)用 戶處的信道估計性能，即保證基站和授權(quán)用戶之間的通信不被非授權(quán)用戶竊聽。針對本發(fā) 明應用場景中基站天線之間存在明顯的空間相干性的特點，結(jié)合方法流程圖進一步說明。
[0020] 如圖2所示，本發(fā)明的方法主要包括反向鏈路信道估計、前向鏈路信道估計、多項 式展開、最優(yōu)能量分配等四個部分。反向鏈路信道估計部分，授權(quán)用戶與基站之間進行基于 導頻的反向鏈路信道估計，得到反向鏈路信道札的估計。根據(jù)TDD下的信道互易性，同時基 站可以得到前向鏈路信道Hf的估計。前向鏈路信道估計部分，基站根據(jù)得到的信道估計，設(shè) 計人工噪聲，向授權(quán)用戶發(fā)送包含人工噪聲的訓練信號，授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶根據(jù)最小均 方誤差（MinimumMeanSquareError，MMSE)準貝U，得到各自的信道Hf、Hu的估計和對應的 最小均方誤差。因本發(fā)明應用場景中基站天線之間存在明顯的空間相干性的特點，在計算 最小均方誤差時，矩陣一般為非對角矩陣，即矩陣的求逆過程存在高復雜度的問題。因而， 可以利用多項式展開近似表示矩陣的求逆過程，得到最小均方誤差的近似表達。最后通過 反向訓練導頻信號能量、前向訓練導頻信號能量、人工噪聲的能量的最優(yōu)分配，得到最佳的 系統(tǒng)性能。
[0021] 反向訓練包括如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，其特征在于，所述方法包括w 下步驟： 步驟1:授權(quán)用戶發(fā)送導頻到基站，估計上行鏈路的信道；根據(jù)信道的互易性，得到下 行鏈路信道的估計； 步驟2 ;根據(jù)下行鏈路的信道估計，設(shè)計人工噪聲?；就瑫r向授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶 發(fā)送導頻和人工噪聲的疊加信號，授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶同時獲得各自的信道狀態(tài)信息的 估計，并計算相應的最小均方誤差； 步驟3;利用多項式展開近似計算前向訓練中授權(quán)用戶、非授權(quán)用戶處信道估計的最 小均方誤差； 步驟4 ;通過對反向訓練導頻信號、前向訓練導頻信號和人工噪聲的能量的最優(yōu)分配， 實現(xiàn)最優(yōu)的差異信道估計性能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，其特征 在于；所述方法應用于TDD模式下的大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，其特征 在于：所述方法為差異信道估計方法與多項式展開法的結(jié)合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，其特征 在于；所述方法是利用多項式展開近似表示非對角矩陣求逆的過程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于低復雜度差異信道估計的物理層安全方法，其特征 在于，所述方法計算信道估計的最小均方誤差時，矩陣為非對角矩陣；利用多項式展開近似 表示矩陣的求逆過程，得到最小均方誤差的近似表達。
【文檔編號】H04L25/02GK104468428SQ201410729165
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】呂斌, 楊震, 馮友宏, 王韋剛 申請人:南京郵電大學