阅读说明：本技术 低复杂度的空间调制接收端天线选择方法 (Low-complexity spatial modulation receiving end antenna selection method ) 是由 束锋 刘林 夏桂阳 朱玲玲 李嘉钰 王云天 邹骏 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了低复杂度的空间调制接收端天线选择方法。该方法需要在发射端已知期望用户与窃听者信道状态信息的情况下。假设期望接收端总共有N-(b)根天线,从中选择N-(t)根天线接收数据,然后将此选择模式反馈给发射端。发射机将发送的信息比特中的一部分映射为天线索引,另一部分映射为传统的幅度相位调。同时做预编码和人为噪声投影,发射机发送信号,接收端根据检测到的天线序号和调制符号可以完整的恢复发送信息。本发明与传统的天线选择技术相比安全速率得到了极大的提升,并且期望用户能够很好的解调出有用信号,在非法窃听端难以恢复出有用信号,从而能够更好地提升系统的安全性能。(The invention provides a low-complexity spatial modulation receiving end antenna selection method. This method requires that the transmitting end knows the channel state information of the desired user and the eavesdropper. Assume that the expected receiving end has a total of N b Root antenna from which N is selected t The root antenna receives the data and then feeds back the selected mode to the transmitting end. The transmitter maps a portion of the transmitted information bits to antenna indices and another portion to conventional amplitude phase modulation. Pre-coding and man-made noise projection are carried out simultaneously, the transmitter sends signals, and the receiving end adjusts the signals according to the detected antenna serial numberThe transmitted information can be completely recovered by symbol making. Compared with the traditional antenna selection technology, the invention greatly improves the safety rate, expects that the user can well demodulate the useful signal and cannot recover the useful signal at the illegal eavesdropping end, thereby better improving the safety performance of the system.)

低复杂度的空间调制接收端天线选择方法

技术领域

本发明专利技术属于涉及无线通信技术领域，特别涉及低复杂度的空间调制系统中接收天线的选择方法

背景技术

空间调制技术的传输原理是将发送的信息比特中的一部分映射为天线索引，另一部分映射为传统的幅度相位调制符号。空间调制技术是介于贝尔实验室空时分结构与空时分组码之间的中间路线，能够实现空间复用与空间分集的良好平衡。作为一种新型多天线技术，由于其在每个时隙仅激活一根发射或接收天线,能有效地避免信道间干扰和多天线发射的同步问题。

无线通信通常因其广播特性而容易受到窃听和主动恶意攻击。安全的空间调制作为增强空间调制的安全能力，由于其高能源效率，吸引了学术和行业中越来越多的研究兴趣。接收端空间调制即是发射机通过设计预编码将发送信息比特的一部分映射到接收端的天线索引，另一部分映射为传统的幅度相位信号，其利用了无线信道的差异性，使得期望的接收机能根据检测天线序号和调制符号正确解调出发射端发送的信息，而窃听用户在接收端接收到的信号形式和期望用户不相同，同时额外受到人为噪声的干扰导致其无法或者难以解调出发送信息，以此增强了空间调制的安全性。除此以外期望用户的信号检测复杂度很低，它适用于诸如物联网和无线传感器网络等低功耗场景。当前虽然有研究安全的接收端空间调制的文献，但到目前为止并没有研究接收端天线选择对安全速率的影响。本文对此进行了研究，导出其上界，即直接最大化安全速率，但是其复杂度较高，从而提出低复杂度的空间调制接收端天线选择方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供低复杂度的空间调制接收端天线选择方法，其利用截止速率替换互信息量，同时利用空间调制特殊的符号映射方式，对安全速率做近似，该方法以低复杂度的方式实现了接收端天线选择，但是获得了接近最优的安全速率，提高系统的安全性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体过程包括：S1.低复杂度的空间调制接收端天线选择中，发射端配备N_a根天线，期望接收端配备N_b根天线。窃听用户配备N_e根天线。发射端发射训练序列，同时对信道进行信道估计。由于采用最大化安全速率的准则选择天线的复杂度过高，先采用基于截止速率公式的可达速率替换平均安全速率，在此基础上考虑空间调制符号的特殊映射方式，即每个时刻只有一个天线索引是激活的，进一步的将优化问题转化为基于近似安全速率最大化的天线选择问题期望用户在获得信道状态信息的情况下根据基于近似安全速率最大化的低复杂度的接收端天线选择方法选择一组天线模式。S2.期望用户将此模式反馈给发射机，发射机将发送的信息比特中的一部分映射为天线索引，另一部分映射为传统的幅度相位调，且发射信号中添加了人工噪声，因此需要设计预编码矩阵以及人工噪声波束成形。发射机做比特流映射、预编码和人工噪声后的发射信号表示为S3.期望用户接收端接收信号，接收端根据接收到的天线序号和调制符号可以完整的恢复源信息。

通过本发明提出的方法能够使期望用户正确的解调出源信息，而由于信道的差异性以及人工噪声的影响，窃听者难以检测出发射信号。所提出的低复杂度的接收端天线选择方法可以得到较高的安全速率，提升系统的安全传输性能。其平均安全速率性能远远超过随机天线选择，接近理论上界，即直接最大化安全速率的方法的性能，但是其复杂度远比直接最大化安全速率的方法低。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为预编码辅助的接收端空间调制系统框图。

图2所示为低复杂度的接收端天线选择算法的安全速率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明给出一个预编码辅助的接收端空间调制系统模型，其中发射端(Alice) 配备N_a根天线，期望用户(Bob)配备N_b根天线。窃听用户(Eve)配备N_e根天线。在利用相关信道估计算法估计出信道状态信息后，期望用户选择出N_r根天线，然后将激活的天线组合模式返回至发送端，发射端由此做比特流映射、预编码和人工噪声。此时，Alice的发射信号可以表示为

P_S为总的发射功率，ρ₁为有用信号的发射功率分配系数，ρ₂＝1-ρ₁为人工噪声的发射功率分配系数，e_n表示单位矩阵I_Nt的第n列的列向量，s_m， m∈[1,2,…,M]表示M维星座图中的第m个星座符号。P_k为预编码矩阵，P_AN为噪声投影矩阵。加入人工噪声是使窃听者受到的干扰更严重，系统获得更高的安全性。期望信道矩阵和窃听信道矩阵分别为H和G，相应的期望用户和窃听用户的接收信号为：

是接收端选择第i根天线就从单位矩阵中选择第i行行向量，共计选择N_t行行向量构成的天线选择矩阵。从N_b根天线中选取N_t根天线，共有种模式，在此k∈(1,...K)表示第k种组合模式。

平均安全速率R_s定义为不同的信道状态下期望用户到发射机的互信息量与窃听用户到发射机的互信息量的差值的平均值。

期望用户到发射机的互信息量I(x；y_b|H,T_k,P)定义如下：

其中由于发射机注入了人工噪声，窃听用户接收到的噪声是有色噪声，为了便于分析处理，可通过白化滤波器W^-1/2进行白化滤波，滤波后的噪声向量为其中窃听用户到发射机的互信息量I(x；y_e|G,T_k,P)表述如下：

上式中

接收天线中选取N_r根天线使得平均安全速率最大的优化问题定义如下：

max R_s subject to T_k∈{T₁,T₂,...,T_K} (7)

由于计算安全速率中要计算互信息量，这需要通过蒙特卡洛模拟进行计算，其复杂度为N_samp表示仿真噪声采样点数。我们通过以下方法降低其复杂度，两者的互信息量可用截止速率替代，这是一个有效的近似。

此时安全速率近似为优化问题转化如下：

进一步的考虑到空间调制中符号映射的特殊方式，每一时刻只激活一根接收天线，那么‖e_ns_m-e_n′s_m′‖²可用映射信号的距离{d₁,d₂,…,d_J}以及其出现的概率 {f₁,f₂,…,f_J}近似替代。进一步的做如下近似

其中Q＝W^-1/2GP_k。

最终的优化问题转化为

其复杂度为远远低于公式(7)的复杂度。仿真结果表明低复杂度的接收端天线选择方法的安全速率性能接近直接最大化安全速率的方法的性能。

图1所示为预编码辅助的接收端空间调制系统框图。

图2所示为提出的低复杂度算法的安全速率与信噪比曲线示意图，其中发射机天线数为7，接收机总天线数为7，选择激活的接收天线数为4，信号和人为噪声的功率分配系数分别为0.5和0.5。从图中可以看出，所提的低复杂度的天线选择算法安全速率曲线接近上界即通最大化安全速率的方法，但是其复杂较低。同时，所提出的低复杂度的天线选择算法远比随机天线选择方法获得的安全速率高。这表明提出的低复杂度的天线选择方法可以获得很好的安全传输性能。