【摘 要】
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空间调制(Spatial modulation,SM)是一种具有绿色性、低成本和高能效的现代通信技术。SM通过配备极少的射频链数来实现通信,是空时码和贝尔实验室分层空时之外的第三种方法。SM除了发送传统的调制符号外,还充分利用了天线索引来提升通信速率和传输可靠性。SM可以降低硬件成本,提高系统的能效性。然而,由于无线通信的广播特性,合法接收机在通信时,易于遭受到非法用户的攻击或者窃听。因此,如何实
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空间调制(Spatial modulation,SM)是一种具有绿色性、低成本和高能效的现代通信技术。SM通过配备极少的射频链数来实现通信,是空时码和贝尔实验室分层空时之外的第三种方法。SM除了发送传统的调制符号外,还充分利用了天线索引来提升通信速率和传输可靠性。SM可以降低硬件成本,提高系统的能效性。然而,由于无线通信的广播特性,合法接收机在通信时,易于遭受到非法用户的攻击或者窃听。因此,如何实现SM系统的安全传输是一个极具挑战性的课题。在此背景下,本文主要研究SM系统中的安全问题,在发送的调制信号中引入人工噪声(Artificial noise,AN)信号干扰窃听者。主要研究工作和创新点概述如下:(1)安全的SM系统发射信号由隐私信息(Confidential message,CM)和AN组成,如何合理分配CM和AN的功率至关重要,于是本文提出了两种功率分配策略:近似安全速率最大化梯度上升法(Maximizing the approximate secrecy rate based on gradient ascent method,Max-ASR-GA)与信干噪比和AN信噪比乘积最大化(Maximizing the product of signal-to-interference-plus-noise ratio and artificial noise-to-signal-plus-noise ratio,Max-PSINR-ANSNR)法。其中,我们直接利用后者推导了闭式解,从而显著降低了计算的复杂度。仿真结果表明,所提两种方法逼近基于穷尽搜索的最优解的安全速率性能,性能明显优于传统的固定功率分配因子方法,从而实现安全性能和复杂度之间良好的平衡。(2)针对混合结构安全SM的系统,提出了两种高性能的安全传输方案:混合预编码和天线子阵选择。考虑到原安全速率没有闭式表达式,首先推导其近似表达式作为新的目标函数来降低优化的复杂度。随后,提出了两种混合预编码方案,包括Max-ASRGA求解法和最大化近似安全速率交替方向乘子法(Maximizing the approximate secrecy rate alternating direction method of multipliers,Max-ASR-ADMM)混合预编码。最后提出了最大特征模(Maximizing the eigenvalue,Max-EV)和最大化近似安全速率(Maximizing the approximate secrecy rate,Max-ASR)安全的天线子阵选择方法,并把Max-P-SINR-ANSNR法推广到混合结构天线子阵选择。仿真结果表明,与现有的混合预编码算法相比,提出的Max-ASR-GA和Max-ASR-ADMM混合预编码算法能够明显提高安全速率性能,并且Max-ASR-GA算法的安全性能略高于Max-ASR-ADMM算法;所提的三种天线子阵选择方法安全性能优越,它们的安全速率性能递减次序为:Max-ASR,Max-EV,MaxP-SINR-ANSNR。特别指出,Max-EV方法牺牲了少量的性能而获得极低的复杂度。
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