本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自適應穩(wěn)健的誤差區(qū)間積分方向調(diào)制合成方法。

背景技術(shù)：

近年來，無線通信物理層安全問題引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，物理層安全的研究源于Wyner提出的Wire-tap模型，后來學者提出利用人為噪聲的方法來有效的控制主信道與竊聽信道的優(yōu)劣，提高主信道信息傳輸?shù)陌踩俾?，將上層的加密技術(shù)與物理層安全技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)無線通信安全的雙重保障，成為無線通信領(lǐng)域研究的熱點方向。

方向調(diào)制作為一種有效的物理層傳輸技術(shù)，與傳統(tǒng)波束成形相比，其基本思想是通過波束成形和人工噪聲等處理手段，在期望方向，接收到的信號的星座圖與基帶信號保持一致，而在其他竊聽方向接收的有用信號被噪聲嚴重污染以致誤碼性能惡化。

目前方向調(diào)制的方法主要分為兩類，一種是利用射頻端元器件組合來實現(xiàn)，另一種側(cè)重于基帶信號的算法設計來實現(xiàn)。但第一種方案受限于有限的天線陣列排布、高速RF開關(guān)等，成本高昂；第二種方案優(yōu)勢更加明顯。許多已有的方向調(diào)制系統(tǒng)中都假設基站已知理想的方向角信息。在實際通信中，方向角的估計不可避免存在誤差，導致波束成形向量、人工噪聲等的設計與導向向量不匹配，惡化期望接收機的接收性能；而對于已有的穩(wěn)健的方向調(diào)制系統(tǒng)都是假設角度誤差服從一定的概率分布，其分析存在一定的特殊性。同時，對多用戶MIMO方向調(diào)制系統(tǒng)的穩(wěn)健性分析還未涉及。因此，利用誤差區(qū)間積分和泄露的概念，設計多期望用戶環(huán)境下的波束成形向量以及人工噪聲是合適的選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種自適應穩(wěn)健的誤差區(qū)間積分方向調(diào)制合成方法，通過MUSIC算法估計方向角誤差，對方向角的誤差積分區(qū)間進行粗估，提出基于角度誤差區(qū)間積分和泄露理論的穩(wěn)健的方向調(diào)制波束成形算法，最大化期望用戶有用信號的接收，使泄露到竊聽方向的有用信號功率最小，同時降低泄露的人工噪聲對期望用戶有用信號的污染影響，從而保障無線傳輸?shù)陌踩浴?/p>

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括：利用MUSIC算法粗估方向角誤差積分區(qū)間，引入?yún)^(qū)間積分與泄露的概念，通過最大化各期望方向誤差區(qū)間的信泄噪比，設計每個期望用戶的有用信號波束成形向量；最大化竊聽方向的信泄噪比(這里將人工噪聲視作有用信號)，從而設計人工噪聲投影矩陣，最大化期望方向誤差區(qū)間內(nèi)有用信號功率同時最大化竊聽方向誤差區(qū)間內(nèi)接收到的人工噪聲功率，實現(xiàn)合法用戶安全的無線連接。

進一步地，具體過程包括：S1.利用智能天線陣列，運用MUSIC算法估計信號到達角，最大化有用信號的信噪比，得到估計的方向角，由于此方向角存在角度估計誤差，從而得到自適應方向角誤差區(qū)間；S2.通過測量得到的方向角誤差區(qū)間，加上波束成形與人工噪聲的處理手段，引入誤差區(qū)間內(nèi)積分和信泄噪比的理論設計穩(wěn)健的方向調(diào)制系統(tǒng)；S3.考慮兩種應用場景：1)期望方向角與竊聽方向角信息非完美；2)竊聽角信息未知，根據(jù)S2的理論準則，分別設計有用信號波束成形向量與人工噪聲投影矩陣。

進一步地，所述的MUSIC算法可以獲得自適應的方向角誤差區(qū)間。

進一步地，所述穩(wěn)健波束成形算法在角度誤差條件下，最大化各期望用戶有用信號功率與人工噪聲功率和接收噪聲功率的比值，設計每個期望用戶有用信號波束成形向量；最大化竊聽區(qū)域內(nèi)人工噪聲的功率，設計人工噪聲投影矩陣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明提出的方法，角度誤差區(qū)間通過算法自適應估計，具有實際意義；采用方向角誤差區(qū)間積分的方法，考慮到方向角估計誤差可能帶來的影響，增強系統(tǒng)的穩(wěn)健性；引入泄露的概念，充分考慮了人工噪聲泄露到各期望方向的可能性，盡可能的減少人工噪聲對期望方向接收有用信號的污染威脅，保證系統(tǒng)的安全性。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

圖1為一種自適應穩(wěn)健的誤差區(qū)間積分方向調(diào)制合成方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

假設基站向K個期望用戶方向發(fā)送有用信號，同時存在M個與期望方向不同的竊聽方向基站采用N陣元均勻線性陣列天線，各期望用戶的接收天線數(shù)為1，竊聽機接收天線數(shù)為1，基站向每個期望用戶發(fā)送相互獨立的信號。在這種情況下，發(fā)射機端傳輸基帶信號向量表示為

式中，K路獨立有用信號分別傳輸?shù)終個期望用戶，滿足表示第k個期望用戶的歸一化波束成形向量，即T_AN表示人工噪聲投影矩陣，可以將發(fā)射的人工噪聲功率集中到竊聽方向；z表示隨機向量，滿足P_s表示總的發(fā)射功率；α₁和α₂分別為有用信號和人工噪聲的功率歸一化因子，滿足以及β₁和β₂分別表示有用信號和人工噪聲的功率分配系數(shù)，并滿足

第k個期望用戶接收到的信號為

第m個竊聽機接收到的信號為

在設計各期望用戶波束成形向量和人工噪聲投影矩陣之前，首先要進行方向角誤差區(qū)間的估計：

S1.利用智能天線陣列，運用MUSIC算法估計信號到達角，最大化有用信號的信噪比，得到估計的方向角，由于此方向角存在角度估計誤差，從而得到自適應方向角誤差區(qū)間；

1)首先K個期望用戶向基站發(fā)送K(K＜N)個互不相關(guān)的信號，得到的數(shù)據(jù)向量為：S＝HX+N，S＝[s₁,s₂,…,s_N]^T為N個陣元的輸出，X＝[x₁,x₂,…,x_K]^T為輻射的信號，H＝[h(θ₁),h(θ₂),…,h(θ_K)]，其中

上式中N＝[n₁,n₂,…,n_K]^T，n_k表示均值為0，方差為的高斯白噪聲。

2)接下來計算天線陣接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣：

信號與噪聲相互獨立，協(xié)方差矩陣可分解為信號、噪聲兩個部分，其中HQ_XH^H為信號部分。

3)對協(xié)方差矩陣進行特征分解：

進而求得與信號相關(guān)的K個特征向量和與噪聲相關(guān)的N-K個特征向量。在實際環(huán)境中，利用最大似然估計協(xié)方差矩陣通過最大化信噪比優(yōu)化算法求得估計方向角，即

求得方向角誤差或因此，第k個期望接收機方向角主瓣區(qū)間和第m個竊聽接收機方向角誤差積分區(qū)間分別為

S2.通過測量得到的方向角誤差區(qū)間，加上波束成形與人工噪聲的處理手段，引入誤差區(qū)間內(nèi)積分和信泄噪比的理論設計穩(wěn)健的方向調(diào)制系統(tǒng)；

S3.考慮兩種應用場景：1)期望方向角與竊聽方向角信息非完美；2)竊聽角信息未知，根據(jù)S2的理論準則，分別設計有用信號波束成形向量與人工噪聲投影矩陣。

所述兩種應用場景下設計波束成形向量和人工噪聲的具體實施如下：

1)期望方向角與竊聽方向角信息非完美

在這種情況下，發(fā)射機根據(jù)期望用戶和竊聽者所發(fā)射出的信號對其所在方向進行估計，且期望方向角與竊聽方向角估計均存在誤差，利用S1中估計結(jié)果，所有期望方向誤差區(qū)間表示為所有竊聽方向誤差區(qū)間表示為

首先設計有用信號的波束成形向量，基本思想是發(fā)射機發(fā)送的有用信號的功率在對應的期望方向上達到最大，而泄露到其他期望用戶方向以及竊聽方向上的功率最小。根據(jù)式(2)可得第k個期望方向誤差區(qū)間內(nèi)接收到的有用信號x_k的平均功率為

而泄露到其他期望方向誤差區(qū)間和竊聽方向誤差區(qū)間內(nèi)的有用信號平均功率為

根據(jù)式(9)和式(10)我們可以定義相應的基于誤差區(qū)間積分的SLNR表達式

其中R_S＝∫_Sh(θ)h^H(θ)dθ。為使式(11)中的達到最大，利用Rayleigh-Ritz定理可得最優(yōu)的為矩陣最大特征值所對應的歸一化特征向量。

其次設計人工噪聲投影矩陣，基本思想是盡可能多的將人工噪聲功率發(fā)送到竊聽方向上，同時使得人工噪聲對期望用戶的影響最小。我們將人工噪聲視作有用信號，根據(jù)式(3)可得，到達所有竊聽方向誤差區(qū)間內(nèi)的人工噪聲平均功率為

而泄露到所有期望用戶區(qū)間內(nèi)的人工噪聲平均功率為

由式(12)和式(13)可得人工噪聲的基于誤差區(qū)間積分的SLNR表達式為

其中則優(yōu)化的T_AN對應于矩陣的N-K個最大特征值對應的特征向量。

2)竊聽角信息未知

這是一種更為實際的應用場景，在這種情況下，竊聽者不向外發(fā)送任何信號，而只是被動地竊取發(fā)射機所發(fā)送的有用信號，因此發(fā)射機無法對竊聽者所在的方向進行估計，同時期望方向角的估計存在誤差。

首先設計有用信號的波束成形向量，其基本思想與場景1類似，易知第k個期望方向區(qū)間內(nèi)接收有用信號x_k的平均功率的表達式與式(9)中的相同。為了減少各路有用信號之間的相互干擾，將第k個期望方向誤差區(qū)間之外的角度范圍均視為潛在的竊聽區(qū)域，即則泄露到潛在竊聽區(qū)域內(nèi)的有用信號x_k的平均功率為

與式(11)類似，可得第k個期望用戶的ER-SLNR表達式

最優(yōu)的為矩陣最大特征值所對應的歸一化特征向量。

其次設計人工噪聲投影矩陣T_AN，由于竊聽方向角未知，因此潛在竊聽區(qū)域為所有期望用戶誤差區(qū)間之外的角度范圍，即則發(fā)送到內(nèi)的平均人工噪聲功率為

且泄露到所有期望用戶誤差區(qū)間內(nèi)的平均人工噪聲功率P′_AN,L與式(13)相同。根據(jù)信泄噪比的定義，可得人工噪聲相應的ER-SLNR表達式

最優(yōu)的T_AN為矩陣的N-K個最大特征值所對應的N-K個歸一化特征向量。