[发明专利]一种基于毫米波MIMO系统安全通信的混合波束成形滤波器的设计方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于毫米波MIMO系统安全通信的混合波束成形滤波器的设计方法及装置，方法包括：判断是否有偷听信道，有则根据偷听端对应的毫米波MIMO信道信息构建模拟波束成形滤波器，无则直接将合法信道的MIMO信道信息设为迭代求解的初始矩阵，构建模拟波束成形滤波器，所得的数字波束成形滤波器均基于SVD方法得到。本发明基于毫米波信道的稀疏性以及毫米波系统中的模拟滤波器设计的诸多限制，考虑偷听端信道信息的知晓情况，基于码本地联合选择发送方和接收方的模拟波束成形滤波器，可以简便而高效地提高系统的保密容量，使传统MIMO系统中成熟应用的物理层安全技术即波束成形技术，较好地移植到毫米波MIMO系统中。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于毫米波MIMO系统安全通信的混合波束成形滤波器的设计方法及装置。

背景技术

毫米波通信相较于传统的通信方式能够提供更高的带宽，是未来5G通信网络的重要技术支撑。为了克服毫米波系统短波长衰减，一般采用多入多出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)的天线阵列发送信号。若按照传统通信系统的硬件配置，每一根天线都需要配备一个射频(RF，Radio Frequency)链，则系统必须包含数量庞大的天线，在实际应用中很难实现。因此，实践中应用更为经济的是模拟/数字混合波束成形器作为毫米波通信系统的硬件载体。混合波束成形器的模拟部分通常是由多个模拟的移相器(PS，PhaseShifter)构成，而数字部分则采用少数RF链提供复用或者为多用户通信使用。现有的混合波束成形滤波器的设计方法通常分成两类：1)基于码本的方法，即模拟波束成形滤波器的构成是由已知的码本当中选择的；2)无码本的方法，即假设PS的分辨率为无穷，可以实现任意角度。由于前者更加简单高效，对毫米波系统信道的稀疏特性适应能力更强，因此较为主流。

常规的混合波束成形滤波器设计方法只考虑了改进点对点通信的信道效率，而没有考虑在窃听信道中的安全问题。近年来，物理层安全逐渐得到了广泛关注，尤其是在传统MIMO系统中，波束成形作为一种成熟的技术，在安全领域得到了很好的应用。波束成形技术利用了多天线提供的更大的空域自由度(DoF，Degrees of Freedom)，以调整发送方的信号发送方向，避免信息的泄露，也可以通过发送人工噪声刻意干扰潜在的偷听者。然而这些在传统MIMO信道中的成果由于毫米波信道的稀疏性特征以及毫米波系统中的模拟滤波器的设计限制，并不能直接应用于毫米波信道。

发明内容

鉴于已有技术的不足，本发明的目的是要提供一种基于毫米波MIMO系统安全通信的混合波束成形滤波器的设计方法，用以解决现有的波束成形安全技术无法应用于毫米波MIMO系统的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于毫米波MIMO系统安全通信的混合波束成形滤波器的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤101、检测是否获取到偷听端对应的毫米波MIMO信道信息，若是则执行步骤102a，否则执行步骤102b；

步骤102a、根据所述偷听端对应的毫米波MIMO信道信息构建迭代求解的初始矩阵，并迭代求解得出发送方和接收方的模拟波束成形滤波器，执行步骤104；

步骤102b、直接将合法信道的MIMO信道信息设为迭代求解的初始矩阵，并迭代求解得出发送方和接收方的模拟波束成形滤波器，执行步骤103；

步骤103、根据给定的合法通信质量要求求得可用于发射人工噪声的功率，执行步骤105；

步骤104、将所得的等效信道进行SVD分解，所得的左酉矩阵为接收方的数字波束成形滤波器，所得的右酉矩阵为发送方的数字波束成形滤波器，并根据功率限制条件进行归一化处理；