[发明专利]基于次成分分析的人工噪声消除方法

说明书

本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种基于次成分分析(MCA)方法的人工噪声(AN)消除方法。MCA的基本原则是将多个观测信号投影至AN的零空间，同时保证有效信号不被清除，本发明基于MAC定义人工噪声与有效信号功率比指标，然后以通过最小化整体信号方差的方式去减弱人工噪声的影响，通过最大化整体信号的均值去增强有效信号的质量来建立优化目标，通过对优化目标的求解进而实现人工噪声的消除。本发明的有益效果为，在未知生成AN所使用的信道信息H的条件下，依旧可以实现人工噪声消除。

技术领域

本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种基于次成分分析(MCA)方法的人工噪声消除方法。

背景技术

人工噪声(Artificial noise,AN)因其利用信道信息生成正交噪声的能力而成为无线通信的一项物理层安全技术。现有研究表明，窃听方如果已知合法方信道信息的条件，可以使用迫零消除(ZFE)或零空间消除(NSE)以消除人工噪声带来的影响。

然而在实际情况下，窃听方可能无法获得合法方的信道信息。因此，该条件下的人工噪声消除技术略显困难，并未得到研究。事实上，人工噪声方案中的信道反馈技术要求慢变的衰落信道，而在慢变衰落信道的条件下，窃听方可以仅通过多个接收信号来实现人工噪声消除。

发明内容

本发明的目的是提出一种在未知合法方信道信息条件下的人工噪声消除方法。本发明的技术方案是基于人工噪声下的多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)模型，提出一种基于次成分分析的人工噪声消除方法。

考虑如图1所示的AN辅助的MIMO无线通信系统，其中发送方(Alice)有N_a根发射天线，接收方(Bob)有N_b根接收天线，窃听方(Eve)有N_e根接收天线。Bob首先采用信道估计技术得到Alice-Bob链路的信道信息H，并将其反馈给Alice以生成波束赋形向量和人工噪声前者用于提升信号传输性能，后者用于保证传输安全，表示复数域。Alice发送的基带信号s满足s^Hs＝E_s，E_s表示信号功率。

基于以上模型，AN-MIMO的发射信号可以表示为：

x＝ps+Vr   (1)

式中p可以使用H^HH最大特征值对应的特征向量，是H的零空间，满足HV＝0，是一个所有元素满足独立同分布的均值为0，方差为的复高斯分布(i.i.d)的随机向量，其中V可以由H的奇异值分解获得

H＝U[D 0][V₁ V]^H.   (2)

设发射信号x的总发射功率为P，用于传输有效信号s的比例为θ，那么人工噪声Vr所占比例为1-θ。根据功率限制公式

||ps||^||E_s＝θP,   (3)

E[||Vr||²]＝(1-θ)P,   (4)

可以得到如下限制

E_s＝θP,   (5)

发射信号通过信道H传输至Bob，并同时通过窃听信道传输至Eve，两者的接收信号可以表示为

y＝Hps+u,   (7)

z＝Gps+GVr+v,   (8)

式中和均表示复高斯噪声，其中的每个元素都满足独立同分布的均值为0，方差分别为和的复高斯分布(i.i.d.和)。