[发明专利]一种多天线系统中抗窃听的索引调制正交频分复用传输方法

权利要求书

1.一种多天线系统中抗窃听的索引调制正交频分复用传输方法，其特征在于，该多天线系统是一个三节点的网络，其中，源节点具有N_t根发射天线，目的节点和窃听节点接收天线分别有N_r，N_e根，调制方式为M-QAM调制，该方法包括以下步骤：

1)第一阶段：在传输开始之前，源节点和目的节点依次发送训练序列，这样，源节点和目的节点能够估计源-目的节点的等效信道信息，假设信道估计准确；

2)第二阶段：源节点将待发送的数据比特分为三组，第一部分称为天线索引比特，用于确定最多两个激活天线的索引，第二部分称为载波索引比特，用于激活承载信号的载波，第三部分称为符号调制比特用于信号的星座映射调制，根据源节点-目的节点的信道状态信息为调制符号添加人工噪声以便于目的节点能够顺利解码源节点发送的信息，由于窃听者无法抵消人工噪声的干扰，不能正确解码源信息，因此能够达到抗窃听的效果；具体实现方法如下：

201)在传输开始的时候，源节点将待发送的数据比特分为三组进行映射，映射过程具体如下：

1：系统每次发送比特数据，其中，系统子载波共有N个，这些子载波被分成若干组，每组包含n个子载波，在每一个子载波分组里所传递的信息包含M-QAM星座映射的信息，以及从n个子载波里选择k个子载波所包含的子载波索引的信息，所有的子载波发射天线相同，因此，所有子载波分组具有共同的天线索引信息；最后的2log₂(N_t)位比特称之为天线索引比特，这部分比特用来确定发送天线的索引m,n，当m,n两者数值相同时，即发送天线只有一根；

2：对前位数据进行分组，一共分为组，每组包含位比特；对于每一个分组而言，前位比特称之为子载波索引比特，用于子载波索引的映射，剩下log₂(M)的位比特称之为调制符号比特，用于确定M-QAM调制符号，得到待发送的符号x；

3：根据上面两个步骤的符号映射关系，天线索引比特选择序号为m,n的天线分别传输待发送符号x的实部和虚部Real(x),Imag(x)当m＝n，调制符号的实部和虚部在同一个天线上发送；

通过这样的映射方式，使得子载波索引，天线的索引也承载了一定的信息，从而达到提升系统的传输效率；

202)在待发送符号上添加人工噪声具体过程如下：

1：源节点和目的节点依次发送训练序列，这样源节点和目的节点都能够估计源-目的节点的信道信息，如下：

H_mr＝[H_mr(1),H_mr(2),...,H_mr(N)]^T,H_nr＝[H_nr(1),H_nr(2),...,H_nr(N)]^T

H_mr(a),H_nr(a)分别表示源节点的第m根天线和第n根天线到目的节点的第r根接收天线的第a个子载波信道状态信息，均服从均值为零，方差为1的复高斯分布；

2：对发送天线m，n上待发送的符号进行人工干扰的添加，m待发送的是信号的实部，添加虚部的人工噪声，同理，n添加实部的人工噪声，使其形成交叉干扰，天线m,n上传输的子载波a的混合信号表达形式具体如下：

x_m(a)＝Real(x(a))+j*β₁V

x_n(a)＝Imag(x(a))+β₂V

其中，V为所添加的人工干扰，服从均值为零方差为的复高斯分布，x(a)表示子载波a所承载的符号信息，由此目的节点收到的信号频域表达式为：

y_Br(a)＝H_mr(a)x_m(a)+H_nr(a)x_n(a)+W_F(a),a＝1,2,...,N

其中，W_F是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声，目的节点在接收到信号以后，对信号进行叠加处理，即可得到：

窃听节点接收到的信号为：

其中，G_mr(a),G_nr(a)分别表示源节点的第m根天线、第n根天线到窃听节点第r根接收天线的第a个子载波信道状态信息，都服从均值为零，方差为1的复高斯分布，W_e是均值为零，方差为σ²的复高斯白噪声；

3)第三阶段：目的节点和窃听节点均采用最优的最大似然检测进行解码，为了降低复杂度，或者采用次优解码算法：基于对数似然比的最大似然检测的检测算法。

2.根据权利要求1所述的一种多天线系统中抗窃听的索引调制正交频分复用传输方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法如下：

301)目的节点已有源节点-目的节点之间的信道状态信息H_mr,H_nrr∈{1,...,N_r}，m,n∈{1,...,N_t}，由此，解调接收信号从而得到第g个分组子载波承载信息以及分组激活的子载波索引，发送天线m,n索引，目的节点端的最大似然译码器写成：

其中，Ω表示每个分组n个子载波选择k个子载波的所有可能的集合，表示调制信号的映射集合；

y_Br^g＝[y_Br[1+n*(g-1)],y_Br[2+n*(g-1)],...,y_Br(ng)]^T

H_mr^g＝[H_mr[1+n*(g-1)],H_mr[1+n*(g-1)],...H_mr(ng)]^T

窃听节点只知道自己的本地信道信息，并不知道当前所发送符号的源节点-目的节点的信道状态信息以及所激活的天线索引，因此，窃听者无法消除人工噪声V的干扰，而对于解码，只能采用遍历法来求解，遍历所有可能的天线选择分组，所有可能的子载波选择集合以及所有可能的发送符号来解码原始信息，其具体表达式如下：

y_E^g＝[y_E[1+n*(g-1)],y_E[2+n*(g-1)],...,y_E(ng)]^T

G_mr^g＝[G_mr[1+n*(g-1)],G_mr[1+n*(g-1)],...G_mr(ng)]^T

302)目的节点处基于对数似然比的最大似然检测的检测算法实现过程如下：

首先，计算频域符号的后验概率比的对数，对于第g个分组的子载波a在第t个发射天线上的状态而言，可能是不承载信号，承载星座符号的实部，或者承载星座符号的虚部这三种状态，承载星座符号的实部或者虚部都属于承载信号的工作状态，不承载信号属于静默状态，对于每一个子载波a，计算下面的比值即在发送天线t上，第g分组的a子载波处于工作状态与静默状态可能性的比值，如果在某一天线上某一子载波被激活为工作状态，那么，其比值也会相对较大；

由于每一个子载波分组都是从n个子载波中选择k个子载波来承载信号，而且，只有一根天线传输信号实部，一根传输信号虚部，传输符号是所有可能映射M个符号集合中的一个，由此可得

根据贝叶斯公式可得

y_BR^g＝[y_b1(n),y_b2(n),...,y_bNr(n)]^T,H_t^g＝[H_t1(n),H_t2(n),...H_tNr(n)]

其中y_br(n),H_tr(n)分别表示Bob的第r根接收天线接收到的第n个子载波的符号，源节点的第t根发射天线到目的节点的第r根接收天线的第n个子载波信道状态信息；

然后，根据g分组里的每一个子载波的λ^g(a)值，选择出最大的k个，即k个激活的子载波，以此类推，确定所有的激活子载波；

再后，依据上面计算确定下来的激活的子载波，在进行ML检测来确定激活天线的索引以及激活子载波所传输的符号，公式如下：