[发明专利]MIMO系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法

说明书

本发明的有益效果为，本发明提供了一种MIMO系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法。本发明通过在发送端采用非线性矢量扰动预编码，以控制发送信号的功率，将发送信号的功率降在相当低的范围内，除此之外，由于在窃听方知道合法方的信道信息后，传统的多输入多输出系统无法保证传输的安全性，为了保证通信传输安全，在发送信号中引入正交于合法方信道矩阵的人工噪声，可以使合法方的信息不受人工噪声的影响，然而窃听方将会受到严重的影响，导致窃听方的BER很高。最终根据合法方和窃听方的SINR可以看出，在引入人工噪声的非线性预编码多输入多输出系统中，合法方的SINR高于窃听方的SINR。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是一种MIMO系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法，更具体的说涉及MIMO技术，人工噪声(Artificial Noise，AN)技术，矢量扰动(Vector Perturbation，VP)预编码技术。

背景技术

近年来，在多输入多输出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)系统中，由于对功率和成本有效的用户终端设备的需求，学术界对预编码技术进行了广泛的研究。基于破零准则或者最小均方误差准则的线性预编码方案是最普遍的，然而在实际应用中，线性预编码难以达到理想的性能，即便是通过最小均方误差准则对迫零预编码矩阵进行额外调整，所获取的性能增益也有限，导致难以达到预期的效果。其原因主要在于线性预编码会造成接收端信噪比恶化。

为了弥补线性预编码的这一缺陷，非线性预编码技术不断被研究，非线性预编码算法主要是通过引入求模，反馈，搜索等一系列非线性操作，以—定的复杂度为代价，使发送数据更好地适应信道的时变特性，同时消除数据流之间的干扰带来的影响，进而可以大幅提升系统性能。其中一个重要的分支是矢量扰动(Vector Perturbation，VP)预编码，其关键思想是选择一个加性扰动矢量来对发送符号进行整形，通过球形编码等搜索算法来获得最优扰动矢量。准确来说，VP预编码在待发射的原始信息上增加了扰动矢量，以控制发送信号的功率。通过适当的算法求解扰动矢量，进而将发送信号的功率控制在相当低的范围之内，因此VP具有非常优异的性能。然而，当窃听方知道合法方的信道信息时，窃听方便可恢复预编码信息，传输的安全性无法得到保障。

添加人工噪声(Artificial Noise，AN)是实现无线安全通信的一种常用方案。通过合理设计并发送AN,可降低窃听方的接收信噪比,扰乱窃听方的信号恢复，同时保证合法方不受该AN的影响。其方案的优势在于,即使未知窃听方的信道状态信息,依然可以通过发送正交于合法方信道信息的AN来恶化窃听方性能,从而提升保密容量。AN主要是在发送端产生，发送端一部分功率用于传输有效信息，一部分功率用于传输AN。在接收端可以使窃听方检测出合法信号的困难度增加，但是又不会扰乱合法方的接收。因此，通过将AN引入到采用VP的MIMO系统中，可以有效的提高系统的安全性。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种多输入多输出系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法。通过在发送端采用矢量扰动的非线性预编码技术，可以将发送信号的功率控制在相当低的范围之内，有效地解决接收端信噪比恶化的情况。其次，在发送信号中引入人工噪声，可以使合法方不受到该影响，而窃听方将会受到严重的干扰，从而保证了系统的传输安全性。即使窃听方已知合法方的信道信息，窃听方的误比特率(Bit Error Rate,BER)也会显著高于合法接收方的误比特率。

多输入多输出系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法具体过程如图1所示，包括：

S1、在整个发送数据矢量中加入一个扰动的矢量，即

v＝s+τl，

其中v为加入扰动矢量后的数据矢量，s为原始数据矢量，l是一个K维的复扰动矢量，τ是一个正实数，通常选为

τ＝2|c|_max+Δ，