[发明专利]基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法

说明书

本发明公开了一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。该方法为：利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，并从中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；利用零空间投影的方法去除正交约束条件；在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。本发明削弱了敏感的窃听者截获隐私信息的能力，提高了无线通信和网络的安全性，增强了通信系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。

背景技术

近年来，物理层安全已成为无线通信和网络研究的热点，一些针对物理层安全的技术也在逐渐完善，例如中继协作、全双工和方向调制。为了改善在衰落信道中的安全传输，提出了结合发射天线选择、隐私信息波束成形设计和人工噪声投影设计的空间调制方案。此外，方向调制近年来也吸引了许多研究。Daly等人提出了使用相控阵的方向调制技术，它的基本思想是通过对每根天线进行相移操作，发射信号会朝着一个给定的方向发送。Ding等人提出了一种在基带端合成方向调制信号的新思路，引入人为噪声并利用零空间投影的正交矢量方法来干扰窃听者对隐私信息的截获。Hu等人设计出低复杂度的人为噪声投影矩阵算法，并将其推广到不完美的信道状态信息场景。随后，应用于广播、组播、多播等场景的安全的鲁棒方向调制算法也相继被提出。方向调制可以直接应用于毫米波和无人机信道，为未来的无线网络提供了可替代的安全解决方案，尤其是在5G和无人机网络中。

作为方向调制的一种增强安全性的版本，安全精准传输技术结合随机频率分集阵列和方向调制，解决了方向调制中波束形成只依赖于方向角而不依赖于距离的问题。该问题具体来说是当窃听者在期望方向的主瓣方向移动时，可以很容易地拦截到期望方向的隐私信息。安全精准无线传输技术建立了与范围角度相关的特性，并且在期望用户周围形成隐私信息的主峰，主峰外的隐私信息能量泄露由于人工噪声的原因会被大大降低，以致可以被忽略，保障了隐私信息的安全传输。为了降低安全精准无线传输接收机的复杂性，Shu等人提出了一种基于OFDM的随机子载波选择的安全精准无线传输结构，Lin等人通过阻塞连续上界极小化算法优化了频率偏移量来实现窃听者靠近用户的场景下的最大安全速率。进一步地，Qiu等人将Lin研究的单窃听者的应用场景扩展到多个窃听用户场景中，并引入了人为噪声，实现隐私信息的安全传输。

然而，以上对于精准通信的安全研究都是从引入的人为噪声不干扰Bob的角度进行的，人工噪声对非法窃听者在统计意义上的干扰是分散的，无法实现高效的集中或者压制性干扰，所以干扰效果不够强。此时，如果窃听者接收机灵敏度高，检测能力强，仍然可以恢复隐私信息，从而达到窃听的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高无线通信和网络的安全性、增强通信稳定性的基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于拉格朗日乘子的最小正则化发射功率波束成形方法，包括以下步骤：

步骤1、利用随机子载波选择的方法，构建线性OFDM子载波集，在构建的线性OFDM子载波集中随机选择N个子载波并分配给N根发射天线，解耦波束成形的方向与距离之间的相关性；

步骤2、设置波束成形需要满足的正交约束条件和相位对齐约束条件；

步骤3、利用零空间投影的方法去除正交约束条件；

步骤4、在去除正交约束条件后的目标函数加入正则化惩罚项；

步骤5、利用拉格朗日乘子法构建隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量；

步骤6、利用二维搜索，求取隐私信息波束成形向量和人工噪声波束成形向量中的最优正则化因子。