[发明专利]空间调制中基于主成分分析的干扰协方差矩阵估计方法

说明书

本发明公开了一种空间调制中基于主成分分析的干扰协方差矩阵估计方法，该方法步骤为：合法接收机将接收到的信号按列排列成数据集矩阵；对数据集矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，将得到的特征值按递减顺序排列；结合已知的干扰协方差矩阵的秩信息对接收机噪声进行估计，对相应的特征值进行取均值，得到接收机噪声的方差值；根据已知的干扰协方差矩阵的秩，选择对应主成分数量的特征值并去除接收机噪声的影响对干扰协方差矩阵进行重构，得到估计的干扰协方差矩阵；根据估计到的干扰协方差矩阵设计接收波束成形向量。本发明估计得到的干扰协方差矩阵结合相应的波束成形，使得全双工窃听者存在的空间调制在安全性能方面的性能有显著的提升。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种空间调制中基于主成分分析的干扰协方差矩阵估计方法。

背景技术

近年来，随着移动通信网络的迅猛发展，空间调制作为一种新兴的无线传输MIMO技术，它将发射信号中的一部分映射为天线指数索引，另一部分映射为星座图中的调制符号。与传统的传输方法不同，由于在一个传输时隙内只有一根传输天线被激活，空间调制技术可以有效地避免信道间干扰和发射天线同步的问题。并且通过减少射频链路的数量，空间调制可以获得比贝尔实验室空时分结构和空时分组码更高的能源效率。

但是由于无线通信的传输环境是开放的空间，恶意窃听者很可能窃听到保密信息。因此，信息的私密性也变得尤为重要，传统的上层加密技术需要严格的密钥分配和服务管理。目前，信息理论角度的物理层安全传输技术已经引起了研究人员的兴趣。保证信息的安全传输最重要的一点是提升期望信道的通信质量，降低窃听信道的质量，从而保证信息的安全传输。最初，Wyner提出了Wire-tap模型，并将其与信息论知识相结合证明了可靠传输在完美的信道条件下是可以实现的。随后，人工噪声的概念被引入无线通信，发射机在发送私密信息的同时发送人工噪声，使人工噪声位于合法用户信道的零空间，即对合法用户不造成影响，同时在理想接收机处利用波束成形最大化其在合法用户方向的信息速率，从而保证私密信息的安全传输。在全双工窃听者，即窃听者不仅能窃听到有用信号而且会向合法接收机发射干扰噪声，存在的条件下如何消除全双工窃听者干扰的影响并且保证系统的安全性能显得尤为重要，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间调制中基于主成分分析的干扰协方差矩阵估计方法，从而在全双工窃听者存在的条件下，消除全双工窃听者干扰的影响并且保证系统的安全性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种空间调制中基于主成分分析的干扰协方差矩阵估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、利用发射机存在不发射有用信号的时隙，首先根据最大似然估计原理和合法接收机接收信号间的独立性，得到样本协方差矩阵，由于样本协方差矩阵中存在接收机噪声的干扰，为了消除接收机噪声的干扰，根据主成分分析的原理，合法接收机将接收到的信号按列组合成数据集矩阵；

步骤2、数据集矩阵与自身的共轭转置相乘得到数据集协方差矩阵，对数据集协方差矩阵进行特征值分解，并将产生的特征值按从大到小的顺序排列；

步骤3、根据已知的干扰协方差矩阵的秩信息，利用数据集协方差矩阵的特征值估计接收机噪声，随后根据主成分分析原理，选取对应干扰协方差矩阵秩数量且去除接收机噪声影响的特征值和对应特征向量来重构干扰协方差矩阵；

步骤4、在发射机和全双工干扰者同时工作时，合法接收机利用步骤3得到的干扰协方差矩阵设计接收波束成形向量，为了最大程度消除恶意干扰的影响，合法接收机使用带有迫零约束的最大化信干噪比公式作为目标函数来求解接收波束成形向量。

进一步地，设定空间调制的系统模型，其中发射端即Alice配备N_x根天线，期望用户端即Bob配备N_b根接收天线，全双工窃听用户端即Mallory配备N_m根天线；在N_x根天线中选择根发射天线得到天线选择子阵，Alice的发射信号表示为：