[發(fā)明專利]一種大規(guī)模MIMO波束域安全多播無線傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810889397.2
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN109150257B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尤力;陳旭;王聞今;孫晨;盧安安;高西奇
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0426;H04B7/06;H04B7/08;H04W4/06;H04W72/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

本發(fā)明提出一種大規(guī)模MIMO波束域安全多播無線傳輸方法，該方法中無線通信的基站側(cè)配置了大規(guī)模天線陣列，并且基站側(cè)通過模擬多波束賦形或數(shù)字多波束賦形或模擬與數(shù)字混合波束賦形的方法生成覆蓋整個小區(qū)的大規(guī)模波束集合。基站根據(jù)合法用戶和竊聽用戶的波束域統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息，對波束域的發(fā)送信號進(jìn)行功率分配。其中，波束域功率分配算法包括基于確定性等同和CCCP的迭代算法，通過迭代求解凸優(yōu)化問題獲得波束域功率分配矩陣。多播過程中波束域功率分配結(jié)果隨著統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息的變化動態(tài)更新。本發(fā)明所提出的方法解決了大規(guī)模MIMO無線通信系統(tǒng)多播傳輸?shù)膹?fù)雜度及安全性問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，具體涉及一種在多播通信場景下利用大規(guī)模天線陣列的波束域安全無線傳輸方法。

背景技術(shù)

在頻譜資源有限的情況下，采用大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技術(shù)可以大幅提高無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率，適應(yīng)不斷增長的無線業(yè)務(wù)需求。多播通信場景下，基站將同樣的信息同時傳遞給目標(biāo)用戶組。同時，由于無線網(wǎng)絡(luò)的開放性，非法用戶竊聽信息的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。如何確保信息傳輸?shù)陌踩猿蔀闊o線通信系統(tǒng)亟需解決的問題之一。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力與運(yùn)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(bǔ)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。

在多播場景下的大規(guī)模MIMO安全通信過程中，為了獲得的更高的安全多播速率，基站側(cè)需要對多播用戶的發(fā)送信號進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)方法大多利用瞬時信道信息實(shí)施多播傳輸，而瞬時信道信息在實(shí)際系統(tǒng)中較難獲取。此外，安全多播傳輸中安全多播速率是非凸函數(shù)，多播預(yù)編碼設(shè)計(jì)通常很難得到全局最優(yōu)解。并且當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)量較大時，使用傳統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)法求解的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。為此，本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低的利用統(tǒng)計(jì)信道信息的大規(guī)模MIMO波束域安全多播無線傳輸方法。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種在基站側(cè)對合法用戶組進(jìn)行多播并且存在非法竊聽用戶的場景下利用統(tǒng)計(jì)信道信息和大規(guī)模天線陣列進(jìn)行安全多播無線傳輸?shù)姆椒ā?/p>

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種大規(guī)模MIMO波束域安全多播無線傳輸方法，包括以下步驟：

(1)基站與用戶組進(jìn)行多播通信的場景下，配置大規(guī)模天線陣列的基站通過模擬多波束賦形或數(shù)字多波束賦形或模擬與數(shù)字混合波束賦形的方法生成能夠覆蓋整個小區(qū)的波束集合；

(2)基站利用多播用戶組中的合法用戶和非法竊聽用戶的波束域統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息，構(gòu)建并求解波束域多播功率分配優(yōu)化問題對發(fā)送信號進(jìn)行功率分配；所述波束域多播功率分配優(yōu)化問題的優(yōu)化目標(biāo)為最大化安全多播速率的下界值，優(yōu)化變量為基站發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣；約束條件為基站發(fā)送信號的協(xié)方差矩陣滿足功率約束；所述安全多播速率的下界值為最小多播用戶速率與竊聽用戶速率上界的差值；

(3)在各用戶動態(tài)移動過程中，隨著基站與多播用戶組內(nèi)用戶之間波束域統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息變化，基站側(cè)動態(tài)實(shí)施波束域功率分配，多播過程動態(tài)更新。

所述步驟(1)中基站生成能夠覆蓋整個小區(qū)的大規(guī)模波束集合實(shí)現(xiàn)空間資源的波束域劃分，基站在同一時頻資源上與多播用戶組中的用戶進(jìn)行安全多播通信，該安全多播通信的過程在波束域上實(shí)施。

所述步驟(2)中基站利用多播用戶組中合法用戶和非法竊聽用戶的波束域統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息對發(fā)送信號進(jìn)行功率分配。由于非法竊聽用戶偽裝成多播用戶組中的合法用戶，在上行信道探測階段，多播用戶組中合法用戶和非法竊聽用戶發(fā)送上行探測信號，基站根據(jù)接收到的探測信號，估計(jì)出實(shí)施用戶波束域功率分配或波束選擇所需的波束域統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息。具體的功率分配算法為基于確定性等同和凹凸過程(Concave-ConvexProcedure,CCCP)的迭代算法。

上述的基于CCCP的功率分配方法包括：