[發(fā)明專利]一種大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710457107.2
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107294575B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高西奇;吳文謙
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/0426
• 分類號: H04B7/0426;H04B7/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王安琪

本發(fā)明公開了一種大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法，包括如下步驟：(1)基站通過模擬多波束成形或數(shù)字多波束成形或模擬與數(shù)字混合波束成形的方法生成能夠覆蓋整個小區(qū)的波束集合，基站在生成的波束上與合法用戶進行波束域安全通信；(2)基站利用合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計信道信息對發(fā)送信號進行功率分配，或者基站通過合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計信道信息為每個合法用戶分配不同的波束或波束子集進行通信。本發(fā)明保證了無線通信的安全性，同時適用于時分雙工和頻分雙工系統(tǒng)，能夠獲得近似最優(yōu)的功率分配性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法。

背景技術(shù)

為適應(yīng)移動通信業(yè)務(wù)量的迅猛增長，在頻譜資源有限的情況下，采用大規(guī)模MIMO技術(shù)可以大幅提高無線通信系統(tǒng)的功率效率和頻譜效率。同時，由于無線網(wǎng)絡(luò)的開放性，如何確保信息傳輸?shù)陌踩猿蔀闊o線通信系統(tǒng)需要解決的問題之一。隨著計算機運算能力與運算速度的提升，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層加密方法已不再可靠。作為加密方法的一種補充或代替，物理層安全方法從信息論的角度出發(fā)，旨在提高無線通信系統(tǒng)的安全性。

在大規(guī)模MIMO安全通信中，為了獲得更高的安全和速率，需要對不同用戶的發(fā)送信號進行設(shè)計。對于這類問題，由于目標函數(shù)是非凸函數(shù)，通常很難得到全局最優(yōu)解。并且當基站側(cè)天線數(shù)量較大時，采用內(nèi)點法求解的實現(xiàn)復(fù)雜度很高。為此，本發(fā)明提出了一種實現(xiàn)復(fù)雜度低的大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法，能夠保證無線通信的安全性，獲得近似最優(yōu)的功率分配性能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種大規(guī)模MIMO波束域安全通信方法，包括如下步驟：

(1)基站通過模擬多波束成形或數(shù)字多波束成形或模擬與數(shù)字混合波束成形的方法生成能夠覆蓋整個小區(qū)的波束集合，基站在生成的波束上與合法用戶進行波束域安全通信；

(2)基站利用合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計信道信息對發(fā)送信號進行功率分配，或者基站通過合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計信道信息為每個合法用戶分配不同的波束或波束子集進行通信。

優(yōu)選的，步驟(1)中的基站側(cè)配置由大量天線所構(gòu)成的天線陣列，基站通過模擬多波束成形或數(shù)字多波束成形或模擬與數(shù)字混合波束成形的方法生成能夠覆蓋整個小區(qū)的大規(guī)模波束集合，實現(xiàn)空間資源的波束域劃分，基站在同一時頻資源上與多個合法用戶進行安全通信，該安全通信的過程在波束域上實施。

優(yōu)選的，步驟(2)中基站利用合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計信道信息對發(fā)送信號進行功率分配或為每個合法用戶分配不同的波束進行通信，竊聽用戶偽裝成小區(qū)中空閑的合法用戶，在上行信道探測階段，合法用戶和竊聽用戶發(fā)送上行探測信號，基站根據(jù)接收到的探測信號，估計出實施用戶功率分配或波束選擇所需的波束域統(tǒng)計信道信息，具體的功率分配算法包括基于確定性等同的迭代算法和迭代注水算法。

優(yōu)選的，基于確定性等同的迭代算法包括如下步驟：

(1)利用大維隨機矩陣理論，通過合法用戶的波束域統(tǒng)計信道信息，計算可達遍歷安全和速率下界表達式中第一項的確定性等同；

(2)計算可達遍歷安全和速率下界表達式中被減項關(guān)于功率分配矩陣的導(dǎo)數(shù)；

(3)迭代求解關(guān)于功率分配的凸優(yōu)化問題，所述功率分配問題的目標函數(shù)是先將可達遍歷安全和速率下界表達式中的被減項利用前一次迭代所得的功率分配矩陣和安全和速率下界表達式中被減項關(guān)于功率分配矩陣的導(dǎo)數(shù)進行一階近似，即是將導(dǎo)致安全和速率下界表達式非凸的一部分線性化，將可達遍歷安全和速率下界表達式中第一項替換為其確定性等同表達式，從而獲得關(guān)于功率分配的凸優(yōu)化問題；

(4)利用迭代注水算法求解上述凸優(yōu)化問題，獲得功率分配矩陣，并計算此時可達遍歷安全和速率下界的確定性等同；