一种计算非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的误码率方法技术方案

本发明专利技术公开了一种计算非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的误码率方法。通过通信双方互发信道导频序列的方法，使收发两端获取主信道估计信息。发射端对保密二进制信息数据进行QPSK调制，然后根据发射端估计的主信道状态信息产生零空间人工噪声和预编码矩阵，并将人工噪声和预编码处理后的保密信号一起发射出去。接收端根据发射端的导频信号获取主信道状态信息并生成解预编码矩阵，对保密信号进行解码，最后用最大似然检测法对保密信号进行译码。本发明专利技术的人工噪声技术增大了接收端和非法窃听端之间噪声水平的差距，提高了在非完美信道下的通信的保密性。道下的通信的保密性。道下的通信的保密性。

【技术实现步骤摘要】
一种计算非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的误码率方法


[0001]本专利技术属于无线通信系统物理层安全
，更具体地，涉及一种非完美信道下人工噪声辅助MIMO系统的实现方法。
技术背景
[0002]无线通信信道的广播特性使得保密通信链路的信息极易被非法终端窃听，5G以及未来6G通信系统的超密集节点异构网络部署及千亿级别计算资源受限的无线传感器节点导致基于密码安全机制的密钥管理复杂度急剧增加，这使得高速传输、低时延和高安全需求在密码安全体制下难以保证，支持以计算为代价的经典安全机制已成为不可能。
[0003]物理层安全技术是实现无线通信系统信息安全传输的关键技术。与完全依靠密钥的保密性与强计算的传统上层加密机制不同，物理层安全旨在利用无线信道的随机性(如随机衰落、信号干扰、环境噪声等)、唯一性结合先进的信号处理技术，自适应优化系统资源，建立优势主信道，在确保收发机可靠通信的同时防止非法用户从接收到的信号中窃取保密信息，从而实现系统可靠且安全的通信传输目的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是在于给出一种在非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的实现方法，其目的是在于从物理层提高并验证在非完美信道下MIMO通信的保密性能。
[0005]为了实现上述目的本专利技术采用通信双方互发导频以获取信道状态信息，发射端Alice通过估计的信道状态信息生成零空间人工噪声及预编码矩阵，接收端Bob通过估计的信道状态信息生成等效信道并进行解码，最后使用最大似然检测法对接收信号进行译码，并计算误码率；
[0006]本专利技术技术方案为：一种计算非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的误码率方法，该方法包括：
[0007]构建一个发射端Alice，其天线数量为M，一个接收端Bob，其天线数量为N、L个窃听端Eve
i
，1≤i≤L，其天线数量为K，并且构建Alice和Bob之间的信道其中d
ab
是Alice到Bob之间的距离，H
ab
是Alice到Bob之间的瞬时小尺度衰落信道，γ表示信道的衰落系数；构建Alice和Eve
i
之间的信道其中，d
ae,i
是Alice到Eve之间的距离，H
ae,i
是Alice到Eve
i
之间的瞬时小尺度衰落信道；
[0008]Bob对Alice发送导频数据X
bp
＝diag(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
N
)，Alice接收的导频数据Y
a
为：
[0009]其中是加性高斯白噪声，H
ba
表示主信道状态信息，I
M
表示对角单位矩阵；
[0010]Alice通过接收的导频信号做信道估计，获得估计的主信道状态信息估计的信道状态信息与真实的信道差值为E
ba
，即E
ba
表示信道估计误差矩阵；Alice对估计的信道做奇异值分解，其中，是的零空间，即U1和U0表示酉矩阵，D表示的奇异值；取的前r列作为保密信号的预编码矩阵
[0011]得到Alice构建发射的保密信号为人工噪声信号为其中保密信号为人工噪声信号为P为保密信号功率分配比，α为人工噪声功率占比，r为数据流数；
[0012]Bob和Eve
i
的接收信号分别为y
b
和y
e,i
，其中，
[0013][0014][0015]其中，n
b
是Alice和Bob之间信道的加性高斯白噪声，n
e,i
是第i个窃听者到Alice之间信道的加性高斯白噪声，x
a
是混有人工噪声的最终发射信号，γ为路径衰落系数；
[0016]为了增加Bob解码的可靠性，Alice给Bob发导频序列X
ap
＝diag(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
r
)，Bob接收的导频数据Y
b
为：
[0017][0018]其中，是加性高斯白噪声；
[0019]Alice通过接收的导频信号做信道估计，获得估计的等效主信道状态信息估计的等效信道状态信息与真实的等效信道差值为E
ab
，即然后Bob对y
b
进行译码得到y
B
为：
[0020][0021]同理，Eve
i
等效窃听信道状态信息为Eve
i
对y
e,i
进行译码得到译码信号y
E,i
为：
[0022][0023]Bob和Eve
i
通过最大似然法检测的数据分别为和将和u进行比对，从而计算Bob和Eve
i
在非完美信道下MIMO系统的误码率。
[0024]总体而言，通过本专利技术能够取得下列有益效果：
[0025]本专利技术针对非完美信道下MIMO通信场景，Alice和Bob互发导频获取信道状态信息，Alice构建的发射信号包含有人工噪声和有效信号，其中，人工噪声用于提高系统的通
信保密性能，通过估计的信号状态信息进行奇异值分解，分别获得保密信号和人工噪声的预编码矩阵，Bob通过估计的等效信道状态信息生成解预编码矩阵并对信号进行解编码，最后通过最大似然检测法进行译码，并计算误码率。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的通信系统模型；
[0027]图2为本专利技术的步骤流程图；
[0028]图3为不同发射天线数下系统误码率随信噪比的影响；
[0029]图4为不同接收天线数下系统误码率随信噪比的影响；
[0030]图5为不同功率分配比天线数下系统误码率随信噪比的影响；
[0031]图6为不同距离下系统误码率随信噪比的影响。
具体实施方式
[0032]考虑如图1所示的双向通信系统模型，系统构建一个发射端Alice，其天线数量为M，一个接收端Bob，其天线数量为N、L个窃听端Eve
i
(1≤i≤L)，其天线数量为K，并且构建Alice和Bob之间的信道其中d
ab
是Alice到Bob之间的距离，H
ab
是Alice到Bob之间的瞬时小尺度衰落信道；构建Alice和Eve
i
之间的信道其中，d
ae,i
是Alice到Eve之间的距离，H
ae,i
是Alice到Eve
i
之间的瞬时小尺度衰落信道。
[0033]系统的流程图如图2所示，
[0034]Bob对Alice发送导频数据X
bp
＝diag([x1,x2,
…
,x
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算非完美信道下人工噪声辅助的MIMO系统的误码率方法，该方法包括：构建一个发射端Alice，其天线数量为M，一个接收端Bob，其天线数量为N、L个窃听端Eve
i
，1≤i≤L，其天线数量为K，并且构建Alice和Bob之间的信道其中d
ab
是Alice到Bob之间的距离，H
ab
是Alice到Bob之间的瞬时小尺度衰落信道，γ表示信道的衰落系数；构建Alice和Eve
i
之间的信道其中，d
ae,i
是Alice到Eve之间的距离，H
ae,i
是Alice到Eve
i
之间的瞬时小尺度衰落信道；Bob对Alice发送导频数据X
bp
＝diag(x1,x2,
…
,x
i
,
…
,x
N
)，Alice接收的导频数据Y
a
为：其中是加性高斯白噪声，H
ba
表示主信道状态信息，I
M
表示对角单位矩阵；Alice通过接收的导频信号做信道估计，获得估计的主信道状态信息估计的信道状态信息与真实的信道差值为E
ba
，即E
ba
表示信道估计误差矩阵；Alice对估计的信道做奇异值分解，其中，是的零空间，即U1和U0表示酉矩阵，D表示的奇异值；取的前r列作为保密信号的预编码矩阵得到Alice构建发射的保密信号为人工噪声信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李闻，宋欢欢，文红，郁子阳，刘雍煌，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：