全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置，該方法包括：獲取全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息；根據(jù)該信道信息以及預(yù)設(shè)第一、二、三、四閾值，構(gòu)建全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu)化模型；根據(jù)該優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣；根據(jù)最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣，進(jìn)行信息波束成形和干擾波束成形，并基于信息波束成形和干擾波束成形進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工基站同時(shí)的自干擾消除和上、下行安全數(shù)據(jù)傳輸，且可以高效地求解波束成形參數(shù)，保證全雙工基站以最小的發(fā)射功率滿足所有用戶不同的信噪比要求。
【專利說明】全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及全雙工安全通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及全雙工無線網(wǎng)絡(luò)中波束成形設(shè)計(jì)，尤 其涉及一種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 在無線通信系統(tǒng)中，全雙工技術(shù)理論上可提高頻譜利用率一倍的巨大潛力，可實(shí) 現(xiàn)更加靈活的頻譜使用，同頻同時(shí)的全雙工技術(shù)逐漸成為研宄熱點(diǎn)。最近，隨著器件技術(shù)和 信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，全雙工無線通信設(shè)備中的自干擾消除技術(shù)得到了深入的理論研宄和 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，使得全雙工無線通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用越來越成為可能。
[0003] -方面，全雙工技術(shù)面臨的具有挑戰(zhàn)性的難題就是自干擾消除。由于接收和發(fā) 送信號(hào)之間的功率差異非常大，導(dǎo)致全雙工無線通信系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的自干擾（比如達(dá)到 100dB)，因此實(shí)現(xiàn)全雙工技術(shù)應(yīng)用的首要問題是自干擾的抵消。由于信號(hào)在發(fā)送和接收過 程中需要經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路等，因而實(shí)際的自干擾信號(hào)是未知的、非線性的。任何的自 干擾消除模型都需要首先建立自干擾信號(hào)的非線性模型，并能夠預(yù)測(cè)信號(hào)的失真，進(jìn)而在 接收端以信號(hào)補(bǔ)償?shù)姆绞竭_(dá)到自干擾消除的目的。現(xiàn)有的任何技術(shù)都不可能達(dá)到完美的自 干擾消除，因而，剩余自干擾的抑制在實(shí)現(xiàn)全雙工通信時(shí)也必須考慮。當(dāng)全雙工設(shè)備具備 多天線時(shí)，研宄如何利用波束成形技術(shù)來抑制剩余自干擾將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)全雙工系統(tǒng)的應(yīng) 用。
[0004] 另一方面，隨著移動(dòng)通信的普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)成為 黑客關(guān)注的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的開放性以及無線傳輸?shù)奶匦?，使安全問題成為整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng) 的核心問題之一。通信系統(tǒng)的物理層安全旨在利用信道特性傳輸保密信息。隨著波束成形 技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)的信息波束成形和干擾波束成形，逐漸成為了物理層安全通信的主要研 宄方向。該技術(shù)要求信息發(fā)送端同時(shí)對(duì)信息和干擾的協(xié)方差矩陣進(jìn)行設(shè)計(jì)，其物理意義是 使得信號(hào)的波束方向盡可能地平行于合法接收者的信道，而垂直于偷聽者的信道；同時(shí)，干 擾的傳輸方向要盡可能的平行于偷聽者的信道，而垂直于合法接收者的信道。全雙工系統(tǒng) 可以通過波束成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)單一的自干擾消除或者實(shí)現(xiàn)物理層安全。但是同時(shí)考慮自干擾 消除和物理層安全，所需求解的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題通常為非凸的復(fù)雜問題，目前還未有工作涉 及此類問題。
[0005] 鑒于此，在全雙工基站如何設(shè)計(jì)信息波束成形和干擾波束成形，以實(shí)現(xiàn)全雙工基 站同時(shí)的自干擾消除和上、下行安全數(shù)據(jù)傳輸，并保證全雙工基站以最小的發(fā)射功率滿足 所有用戶不同的信噪比要求成為當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法及裝置，通 過對(duì)信息波束成形和干擾波束成形波束成形的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工基站同時(shí)的自干擾消 除和上、下行安全數(shù)據(jù)傳輸，且可以高效地求解波束成形參數(shù)，保證全雙工基站以最小的發(fā) 射功率滿足所有用戶不同的信噪比要求。
[0007] 第一方面，本發(fā)明提供一種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：
[0008] 獲取全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息；
[0009] 根據(jù)所述信道信息以及預(yù)設(shè)第一、二、三、四閾值，構(gòu)建全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu) 化模型；
[0010] 根據(jù)所述優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān) 矩陣；
[0011] 根據(jù)所述最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣，進(jìn)行信息 波束成形和干擾波束成形，并基于所述信息波束成形和干擾波束成形進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0012] 其中，所述預(yù)設(shè)第一閾值為全雙工基站接收信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第 二閾值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站接收的信息時(shí)的最大信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第三閾 值為全雙工基站發(fā)送信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第四閾值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙 工基站發(fā)送的信息時(shí)的最大信噪比閾值，《 € =p，...，i},L為偷聽者數(shù)量，L為正整數(shù)。
[0013] 可選地，所述全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息包括：
[0014] 全雙工基站到涉密信息發(fā)送終端及涉密信息接收終端的信道信息、所述涉密信息 發(fā)送終端與所述涉密信息接收終端的信道信息、所述全雙工基站到偷聽者終端的信道信 息、以及所述涉密信息發(fā)送終端到所述偷聽者終端的信道信息。
[0015] 可選地，所述全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu)化模型P1為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，包括： 獲取全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息； 根據(jù)所述信道信息以及預(yù)設(shè)第一、二、三、四閾值，構(gòu)建全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu)化模 型； 根據(jù)所述優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩 陣； 根據(jù)所述最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣，進(jìn)行信息波束 成形和干擾波束成形，并基于所述信息波束成形和干擾波束成形進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 其中，所述預(yù)設(shè)第一閾值為全雙工基站接收信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第二閾 值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站接收的信息時(shí)的最大信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第三閾值為 全雙工基站發(fā)送信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第四閾值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基 站發(fā)送的信息時(shí)的最大信噪比閾值，〖e/? = {1，…,L},L為偷聽者數(shù)量，L為正整數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息包 括： 全雙工基站到涉密信息發(fā)送終端及涉密信息接收終端的信道信息、所述涉密信息發(fā)送 終端與所述涉密信息接收終端的信道信息、所述全雙工基站到偷聽者終端的信道信息、以 及所述涉密信息發(fā)送終端到所述偷聽者終端的信道信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu)化模型Pl 為：
其中，s為信息波束成形賦值向量； W為干擾傳輸?shù)淖韵嚓P(guān)矩陣； SINRb(s，W)為全雙工基站接收信息的信噪比，是通過第一公式計(jì)算得到的； SINI^(s，W)為全雙工基站發(fā)送信息的信噪比，是通過第二公式計(jì)算得到的； SINE^1(Sj)為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站接收的信息時(shí)的信噪比，是通過第三公 式計(jì)算得到的； SINRe^(Sj)為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站發(fā)送的信息時(shí)的信噪比，是通過第四公 式計(jì)算得到的； Yb為預(yù)設(shè)第一閾值，γu為預(yù)設(shè)第二閾值，γ^3預(yù)設(shè)第三閾值，γ 為預(yù)設(shè)第四 閾值； 其中，第一公式為：
Rb是從全雙工基站接收天線噪聲的獨(dú)立同分布zb?cN(0,Rb)中得到的，Pt為涉密信 息發(fā)送終端的最小發(fā)射功率，h￡ €Cmx1為全雙工基站與涉密信息發(fā)送終端的信道矩陣， 4hhf，Η?e 為全雙工基站衰落自干擾信道矩陣，全雙工基站的剩余自干擾信道 矩陣為VP1*，〇<P< 1為自干擾消除參數(shù)，N為全雙工基站的發(fā)射天線數(shù)，M為全雙工基 站的接收天線數(shù)，M、N均為大于1的整數(shù)； 第二公式為：
h,WC&1為全雙工基站與涉密信息接收終端的信道矩陣，Hr 4 &為涉密信息 發(fā)送終端與涉密信息接收終端的信道矩陣，是從涉密信息接收終端接收天線噪聲的獨(dú) 立同分布W中得到的； 第三公式為：
i/,Je+C1M為涉密信息發(fā)送終端與偷聽者的信道矩陣，hi:JeOyx1為全雙工基站與偷 聽者之間的信道矩陣，HΛh.秦^，是從第1個(gè)偷聽者的接收天線噪聲的獨(dú)立同分布 Se,/ .?中得到的； 第四公式為：
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)信息波 束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣，包括： 利用半定松弛技術(shù)將所述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，獲取信息波束成形自相關(guān)矩陣S#和干擾波束成形自相關(guān)矩陣W% 比較RankO=J與1的大??； 在Rank(Si) =J= 1時(shí)，確定 <和Wi為最優(yōu)信息波束成形自相關(guān)矩陣S'#和最優(yōu)干擾 波束成形自相關(guān)矩陣W'％ 在Rank(Si) =J> 1時(shí)，根據(jù) <和W%將所述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為拉格朗日對(duì)偶問題； 根據(jù)所述拉格朗日對(duì)偶問題，獲取最優(yōu)信息波束成形自相關(guān)矩陣S'#和最優(yōu)干擾波束 成形自相關(guān)矩陣 對(duì)S'#進(jìn)行奇異值分解，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量s'
5. -種全雙工基站的數(shù)據(jù)傳輸裝置，其特征在于，包括： 信息獲取模塊，用于獲取全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信息； 模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述信道信息以及預(yù)設(shè)第一、二、三、四閾值，構(gòu)建全雙工安全 通信系統(tǒng)的優(yōu)化模型； 最優(yōu)向量及矩陣獲取模塊，用于根據(jù)所述優(yōu)化模型，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量 和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān)矩陣； 數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于根據(jù)所述最優(yōu)信息波束成形賦值向量和最優(yōu)干擾波束成形自相關(guān) 矩陣，進(jìn)行信息波束成形和干擾波束成形，并基于所述信息波束成形和干擾波束成形進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸； 其中，所述預(yù)設(shè)第一閾值為全雙工基站接收信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第二閾 值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站接收的信息時(shí)的最大信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第三閾值為 全雙工基站發(fā)送信息的最小信噪比閾值，所述預(yù)設(shè)第四閾值為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基 站發(fā)送的信息時(shí)的最大信噪比閾值，i€ = {1，. -L為偷聽者數(shù)量，L為正整數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述所述全雙工安全通信系統(tǒng)的信道信 息包括： 全雙工基站到涉密信息發(fā)送終端及涉密信息接收終端的信道信息、所述涉密信息發(fā)送 終端與所述涉密信息接收終端的信道信息、所述全雙工基站到偷聽者終端的信道信息、以 及所述涉密信息發(fā)送終端到所述偷聽者終端的信道信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述全雙工安全通信系統(tǒng)的優(yōu)化模型Pl 為：
其中，s為信息波束成形賦值向量； W為干擾傳輸?shù)淖韵嚓P(guān)矩陣； SINRb(s，W)為全雙工基站接收信息的信噪比，是通過第一公式計(jì)算得到的； SINI^(s，W)為全雙工基站發(fā)送信息的信噪比，是通過第二公式計(jì)算得到的； SINRe^1(Sj)為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站接收的信息時(shí)的信噪比，是通過第三公 式計(jì)算得到的； SINRe^(Sj)為第1個(gè)偷聽者竊聽全雙工基站發(fā)送的信息時(shí)的信噪比，是通過第四公 式計(jì)算得到的； Yb為預(yù)設(shè)第一閾值，γu為預(yù)設(shè)第二閾值，γ^3預(yù)設(shè)第三閾值，γ 為預(yù)設(shè)第四 閾值； 其中，第一公式為：
Rb是從全雙工基站接收天線噪聲的獨(dú)立同分布Zb?cN(0,Rb)中得到的，Pt為涉密信 息發(fā)送終端的最小發(fā)射功率，hteCmx1為全雙工基站與涉密信息發(fā)送終端的信道矩陣， Hi 4h山P,Hi, €Cxxw為全雙工基站衰落自干擾信道矩陣，全雙工基站的剩余自干擾信道 矩陣為#￡>，O<P< 1為自干擾消除參數(shù)，N為全雙工基站的發(fā)射天線數(shù)，M為全雙工基站的接收天線數(shù)，M、N均為大于1的整數(shù)； 第二公式為：
Ie 為全雙工基站與涉密信息接收終端的信道矩陣，Hr ^hrhi*，仏為涉密信息 發(fā)送終端與涉密信息接收終端的信道矩陣，是從涉密信息接收終端接收天線噪聲的獨(dú) 立同分布4 中得到的； 第三公式為：
ft/ €Cixl為涉密信息發(fā)送終端與偷聽者的信道矩陣，Iieii €Cjvxl為全雙工基站與偷 聽者之間的信道矩陣，HejCrfj;是從第i個(gè)偷聽者的接收天線噪聲的獨(dú)立同分布 H，沖得到的； 第四公式為：
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述最優(yōu)向量及矩陣獲取模塊，具體用于 利用半定松弛技術(shù)將所述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，獲取信息波束成形自相關(guān)矩陣 S#和干擾波束成形自相關(guān)矩陣W% 比較RankO=J與1的大??； 在Rank(Si) =J= 1時(shí)，確定 <和Wi為最優(yōu)信息波束成形自相關(guān)矩陣S'#和最優(yōu)干擾 波束成形自相關(guān)矩陣W'％ 在Rank(Si) =J> 1時(shí)，根據(jù) <和W%將所述優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為拉格朗日對(duì)偶問題； 根據(jù)所述拉格朗日對(duì)偶問題，獲取最優(yōu)信息波束成形自相關(guān)矩陣S'#和最優(yōu)干擾波束 成形自相關(guān)矩陣 對(duì)S'#進(jìn)行奇異值分解，獲取最優(yōu)信息波束成形賦值向量s'
【文檔編號(hào)】H04W52/36GK104467935SQ201410643470
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】高飛飛, 朱豐超, 孫科 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 華為技術(shù)有限公司