人工噪声辅助MIMO系统下数据信号功率占比的误码率研究

针对多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）无线通信系统传输过程中的安全问题,提出了一种基于人工噪声辅助的安全传输方法。首先,建立人工噪声辅助MIMO系统的信道状态矩阵;其次,将信道状态矩阵进行奇异值分解,设计合理的预编码和人工噪声矩阵,从而显著提升MIMO系统的安全性。对于窃听节点的译码采用最大似然检测译码。仿真结果表明,利用MIMO系统信道信息的零空间矩阵,采用人工噪声进行信号加密,有效提高了潜在窃听节点的误码率,当合法信道质量降低时,通过降低分配数据信号功率系数来提高MIMO无线系统的窃听误码率。     

一种基于准奇异子空间传输的MIMO多用户群检测方法

在多用户MIMO系统中,共享信道用户之间干扰是系统噪声的主要来源.基于压制用户间干扰的考虑,本文提出一种类似奇异子空间传输的多用户检测的方法.这种方法由于在发送端只需要得到部分信道状态信息.从而大大的减轻了回馈链路的通信负担.这在系统内用户数量很多的时候对系统资源的节省尤为明显.为了使这种传输方法能够获得更好的总体信道容量,进一步给出了与此传输系统相匹配多用户调度准则.另外由于这个传输方法中只用到了信道的左右奇异向量,因此系统性能将不受到信道自相关的影响.最后通过仿真的方法证明了这种传输方法能够提供很理想的系统性能.     

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。     

基于多用户MIMO-OFDM系统的子信道和功率分配算法

在多用户MIMO-OFDM系统中，当总功率受限时，为了使整个系统的数据传输速率最大．已有的最优算法的计算十分复杂，这里采用了一种次最优算法。在发射端，基于已知信道状态信息。应用奇异值分解将MIMO信道转化为并行的子信道，并将表征信道增益的信道特征值用于子信道自适应调制优化设计中。在自适应过程中．用到了子信道和功率联合分配算法。仿真结果表明，这种算法能使系统的性能明显提高。     

一种基于特定干扰图样的下行多用户MIMO预编码方法

本文在研究线性迫零类下行多用户MIMO预编码方法的基础上,提出了一种适用于单天线用户的预编码矩阵生成方法.利用信道补矩阵的奇异值分解,可以将下行多用户MIMO信道分解为多个带有基于干扰图样产生的多用户干扰的并行单用户信道.同时本文给出了一种特殊的干扰图样以及相应的显式参数优化方法,包括波束成型和功率分配.通过计算机仿真,重点在4天线场景下分析了该预编码器的系统性能.结果显示,相对于线性迫零类算法,本文提出的预编码方法可以有效的提高系统性能.在Pout等于0.1时,相对于单天线的BD方法,PBIF-Rp将损耗信道容量提高了超过45%,而PBIF-Op提高了100%以上.仿真结果和分析都证明了本方法的进一步研究的潜力.     

在相关多入多出(MIMO)信道中的可变速率多用户分集技术

在本篇文章中,我们研究基于MIMO虚拟信道表述的可变速率多用户分集技术.为实现慢衰落相关信道中的多用户分集,本文在发射端采用随机波束成形技术,并提出一种新的利用MIMO虚拟信道来产生随机波束成形矩阵的方法.同时,我们对期望用户的子信道采用自适应编码调制技术,以进一步提高系统性能.     

一种多用户多中继MIMO通信系统迭代预编码方案

该文针对多中继MIMO通信系统多用户传输时的用户间干扰问题,提出了一种可以有效抑制多用户干扰的发射端与中继端迭代预编码的方案。该方案首先在中继端进行多中继联合的迫零预编码,然后将基站与多用户之间等效为一个点到多点的MIMO信道,采用最大化信漏噪比的预编码方法,在发射端进一步消除用户间的干扰,同时避免了噪声放大的影响,进而通过中继端预编码与发射端预编码的多次迭代,更好地保持了多中继并行传输引入空间分集所带来的性能优势,有效地抑制了用户间干扰,获得了更高的系统和容量。     

视距相关信道下考虑非理想CSI的多用户MIMO收发联合设计

在FDD模式多用户MIMO(Multi-input Multi-output)系统下行链路中,由于信道估计、反馈信道等存在误差,使得发送端获取理想信道状态信息(CSI,channel state information)十分困难。针对获得非理想CSI的多用户MIMO系统,考虑在基站和各用户的天线分别具有相关性并引入视距分量的信道条件下,提出了一种新的基于块对角化的MMSE准则收发联合设计算法。该算法首先通过块对角化消除用户间的共信道干扰,然后针对存在信道估计误差的用户信道依据MMSE准则分别迭代求解每个用户预编码和解码矩阵。论文设计出一种基于训练序列的信道估计误差算法,并获得等效信道模型,使得收发端获得的信道状态信息更有实际意义。本文假设反馈信道理想,发射端可以完整得到信道估计矩阵。在MMSE准则下,推导获得了Lagrange乘子的解析解,避免了求解非线性方程的复杂过程,显著降低了计算复杂度。和已有算法相比,该算法不仅可以获得良好的误码性能还可以对各用户进行独立优化,处理更加灵活。仿真分析了视距分量、信道相关性以及信道估计误差对算法性能的影响。仿真结果表明,该算法误码性能良好,算法收敛快,并且对信道估计误差带来的影响有较好的抑制作用。      

基于Khatri-Rao积的3D MU-MIMO预编码方法

为了解决下行三维(3D)多用户(Multi-User,MU)多输入多输出(MIMO)系统中的共信道干扰问题,提出了一种基于Khatri-Rao积的3D预编码方法。该方法首先产生离线码本,然后各用户分别选择与水平维和垂直维信道最匹配的的码字并将其反馈给基站端,最后,根据提出的KhatriRao积基站端构造3D预编码矩阵,对不同用户数据进行处理。理论分析和仿真结果表明,该方法可有效地匹配真实信道状态信息(CSI),而且可有效地抑制共信道干扰,提升系统误码性能,对系统的性能优化有一定的参考价值。     

基于码本的有限反馈非酉矩阵预编码多用户MIMO系统

该文提出了一种基于码本的有限反馈非酉矩阵预编码下行多用户MIMO系统。该方案根据用户反馈的信道信息SINR在发送端进行调度和预编码来提高系统容量。预编码的码本设计依据格拉斯曼空间装箱原理,并将码本中的向量按其相关性构成非酉矩阵来提高预编码增益和抑制多用户共道干扰。新方案反馈量少、复杂度低,在相同情况下比传统的单用户MIMO系统和基于码本的酉矩阵预编码多用户MIMO系统都具有更好的性能。     

一种基于时空编码的物理层安全算法

针对多天线窃听系统的物理层安全问题,提出一种基于时空编码的预编码算法。首先,合法接收者发送训练序列用于发送者估计主信道状态信息,而窃听信道的状态信息合法用户均未知;其次,发送者利用均匀信道分解的方法提取主信道状态信息的特征参数,生成发射端预编码矩阵和合法接收端均衡矩阵,收发联合加密处理提高物理层安全;最后,利用 Monte Carlo方法进行仿真实验,数值分析表明,该算法在窃听者天线数目增多时能够实现非负的保密容量,即使窃听信道质量较好时,窃听者的接收性能仍维持在很差的水平,误码率高达0.5。     

Time-Reversal Based Secure Transmission Scheme for 5G Networks over Correlated Wireless Multi-Path Channels

Broadband wireless communication users for 5G networks are primarily implemented in a complicated environment; the complex environment of time-varying multi-path propagation characteristics will seriously affect the performance of communication. One of the core technologies to overcome this problem is to introduce the environment adaptive technique—time reversal in the wireless link. Further, the problem of a Wiretap Channel in physical layer security research has become a popular research topic in recent years. To resolve the physical layer wiretap channel and multi-path fading problems in wireless channels, a novel concept of combining time reversal technology with physical layer security technology is proposed. In this paper, a physical layer secure transmission scheme based on the joint time reversal technique and artificial noise at the sending end is proposed for the wireless multi-path channel. First, in a typical wiretap channel model, the time reversal technique is used to improve the security of the information transmission process by using the properties of spatial and temporal focusing. Second, as the information is easily eavesdropped near the focus point, artificial noise is added to the sending end to disrupt the eavesdropping capability of the eavesdropper. Finally, due to the complexity of the multi-path channels, the influence of the antenna correlation on the system security performance is considered. Compared with the existing physical layer security schemes, theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme has a higher secrecy signal-to-noise ratio, a higher rate of secrecy, and a lower bit error rate of legitimate user.     

信道估计误差下的深度人工噪声预编码生成方法

基于人工噪声的物理层安全通信系统，传统人工噪声通常采用推导得到的闭式表达式或最优化方法数值求解生成，要求输入准确的传输信道矩阵信息，才能保证通信系统的保密性。但实际环境中存在的信道估计误差会导致人工噪声预编码误差，从而降低通信系统保密容量。为此提出一种基于深度学习的人工噪声预编码生成方法，通过将有误差的信道估计信息作为输入，与无估计误差情况下传统数值求解得到的预编码矩阵进行拟合，训练得到可适应信道估计误差的深度神经网络。仿真表明，该方法在信道估计有误差时的保密性能与鲁棒性优于传统人工噪声生成系统；相比于其他深度学习方法在物理层安全的应用，所提方法具有更快的收敛速度。     

MIMO异构网络中一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案

为保证MIMO异构网络面临多天线主动窃听时的安全性,该文提出一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案。首先,考虑窃听者发送上行导频干扰的情形,研究了其发送的上行导频干扰对合法用户信道估计的影响。随后,基于信道估计结果对宏基站、微基站的下行数据与噪声信号的预编码矩阵进行设计,并推导了此种情形下系统安全速率的表达式。然后,以系统安全速率最大化为目标对基站的下行数据与噪声信号的发送功率进行优化设计,并提出一种基于1维线性搜索的求解方法。进一步地,考虑窃听者在发送上行导频干扰后,继而发送噪声干扰用户下行通信的情形,提出一种基于离散零和博弈方法来获取最优的发送功率设计。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）,它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息（Channel State Information,CSI）一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个 RIS的选择方案,在保证通信系统保密性的同时,进一步提高了能量效率。通过对所设计算法进行复杂度分析,证明了所设计方案的可行性和有效性。接着对联合波束成形RIS辅助的人工噪声方案进行了仿真分析。最后得出结论,即窃听CSI未知时,通过合理联合优化RIS和基站波束成形进行功率分配,并结合多RIS选择技术,可以降低窃听者处信号质量,同时提高通信系统的能量效率,最终实现保密通信。      

MIMO全双工双向通信系统平均保密和速率的优化

研究多入多出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）同时同频全双工双向通信系统中,合法节点在接收信息的同时向对方发送保密信息,并发送零空间人工噪声干扰窃听节点的物理层安全方案的优化问题.针对窃听信道状态信息仅统计分布已知,且存在残余自干扰的情况,首先推导出系统平均保密和速率的闭合表达式,进一步给出其下界.在此基础上,以最大化系统该下界为目标,对两节点的信息信号与人工噪声的功率分配因子、信息信号的功率分配矩阵进行联合优化.采用迭代的方法进行优化,每轮迭代中,先固定前者,优化后者,再固定后者,优化前者.使用DC（Difference of Concave/Convex,DC）规划优化信息信号功率分配矩阵,使用遗传算法优化信息信号与人工噪声的功率分配因子.对所提方案进行了仿真验证,证明理论推导正确,优化算法能有效地提高系统的平均保密和速率.     

人工噪声辅助的多用户安全传输方法

针对传统人工噪声辅助的安全传输方法无法适用于发射天线数等于接收天线数的多用户(Multiuser, MU)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统的问题,提出了一种人工噪声辅助的多用户安全传输新方法。通过合理设计人工噪声与预编码矩阵,该方法可在同时满足所有用户传输需求的基础上,显著提升发射天线数等于接收天线数的MU-MIMO系统的安全性。同时,针对提出的方法进行了检测算法与平均保密速率的推导与分析。理论分析与仿真结果表明,所提方法可有效提升无线通信系统的安全性,在信噪比为20 dB时,该方法较传统方法的平均保密速率提升达到120%。     

Linear receivers for the multiple-input multiple-output multiple-access channel

We consider a multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) communication system using code-division multiple access (CDMA) and multiuser detection to discriminate the different users. Our focus is on the CDMA uplink of a frequency-nonselective Rayleigh fading channel. We study two types of receivers: joint receivers, which address simultaneously both spatial and multiple-access interference; and separate receivers, addressing the two types of interference individually. This approach allows assessing the benefits of adding MIMO processing capabilities to existing multiuser single-input single-output systems. For both receiver types, we analyze solutions based on linear (matched filter, decorrelator, minimum mean-square error) and maximum-likelihood receivers. For all the receivers considered, we provide closed-form expressions (as expectations of given functions) of the resulting pairwise error probabilities. Performance results are obtained in terms of frame-error rate versus E/sub b//N/sub 0/, following two different approaches. An analytic approach using large-system asymptotic methods, whereby the system parameters (number of users and antennas, spreading gain) are assumed to grow to infinity with finite limiting ratios. A computer-simulation approach is used to illustrate the differences between asymptotic and simulation results.