[发明专利]一种大规模MIMO波束域安全通信方法

权利要求书

1.一种大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合，基站在生成的波束上与合法用户进行波束域安全通信；基站侧配置由大量天线所构成的天线阵列，基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的大规模波束集合，实现空间资源的波束域划分，基站在同一时频资源上与多个合法用户进行安全通信，该安全通信的过程在波束域上实施

(2)基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配，或者基站通过合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息为每个合法用户分配不同的波束或波束子集进行通信；基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配或为每个合法用户分配不同的波束进行通信，窃听用户伪装成小区中空闲的合法用户，在上行信道探测阶段，合法用户和窃听用户发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计出实施用户功率分配或波束选择所需的波束域统计信道信息，具体的功率分配算法包括基于确定性等同的迭代算法和迭代注水算法。

2.如权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，基于确定性等同的迭代算法包括如下步骤：

(1)利用大维随机矩阵理论，通过合法用户的波束域统计信道信息，计算可达遍历安全和速率下界表达式中第一项的确定性等同；

(2)计算可达遍历安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数；

(3)迭代求解关于功率分配的凸优化问题，所述功率分配问题的目标函数是先将可达遍历安全和速率下界表达式中的被减项利用前一次迭代所得的功率分配矩阵和安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数进行一阶近似，即是将导致安全和速率下界表达式非凸的一部分线性化，将可达遍历安全和速率下界表达式中第一项替换为其确定性等同表达式，从而获得关于功率分配的凸优化问题；

(4)利用迭代注水算法求解上述凸优化问题，获得功率分配矩阵，并计算此时可达遍历安全和速率下界的确定性等同；

(5)迭代上述过程直至安全和速率下界的确定性等同收敛，即前后两次迭代结果的安全和速率下界的确定性等同之差小于某个预设门限值。

3.如权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，迭代注水算法包括如下步骤：

(1)为所有用户的每个波束定义其对应的迭代注水子函数；某一波束的迭代注水子函数是将除该波束外所有波束的上一次功率分配结果代入基于确定性等同的迭代算法的步骤(4)中凸优化问题的目标函数后所得的函数，计算所有波束的迭代注水子函数的算术平均，得到新的目标函数，并将原问题转化为迭代求解一系列凸问题；

(2)利用KKT条件得到与优化问题等价的分式方程，通过求解该分式方程得到计算注水结果需要的辅助矩阵；

(3)利用上一步获得的辅助矩阵，更新的注水结果；

(4)迭代上述过程，直至前后两次注水结果的目标函数值之差小于某个预设门限值，并在迭代结束时将注水结果赋值给基于确定性等同的迭代算法中步骤(4)所求的功率分配矩阵。