[发明专利]一种大规模MIMO波束域安全通信方法

说明书

本发明公开了一种大规模MIMO波束域安全通信方法，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；(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。本发明保证了无线通信的安全性，同时适用于时分双工和频分双工系统，能够获得近似最优的功率分配性能。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种大规模MIMO波束域安全通信方法。

背景技术

为适应移动通信业务量的迅猛增长，在频谱资源有限的情况下，采用大规模MIMO技术可以大幅提高无线通信系统的功率效率和频谱效率。同时，由于无线网络的开放性，如何确保信息传输的安全性成为无线通信系统需要解决的问题之一。随着计算机运算能力与运算速度的提升，传统的网络层加密方法已不再可靠。作为加密方法的一种补充或代替，物理层安全方法从信息论的角度出发，旨在提高无线通信系统的安全性。

在大规模MIMO安全通信中，为了获得更高的安全和速率，需要对不同用户的发送信号进行设计。对于这类问题，由于目标函数是非凸函数，通常很难得到全局最优解。并且当基站侧天线数量较大时，采用内点法求解的实现复杂度很高。为此，本发明提出了一种实现复杂度低的大规模MIMO波束域安全通信方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大规模MIMO波束域安全通信方法，能够保证无线通信的安全性，获得近似最优的功率分配性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种大规模MIMO波束域安全通信方法，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；

(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。

优选的，步骤(1)中的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。

优选的，步骤(2)中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。

优选的，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；