[发明专利]一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法

权利要求书

1.一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在基站与用户组进行多播通信的场景下，配置大规模天线阵列的基站通过模拟多波束赋形或数字多波束赋形或模拟与数字混合波束赋形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合；

(2)基站利用多播用户组中的合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建并求解波束域多播功率分配优化问题对发送信号进行功率分配；所述波束域多播功率分配优化问题表示为：

s.t.tr{Λ}≤P

Λ≥0

其中，为基站多播速率，为窃听用户速率上界，H_k和H_eve分别为第k个合法用户和非法窃听用户的波束域信道矩阵，Λ为发送信号的协方差矩阵，I为单位矩阵，P为基站总功率约束，表示期望运算，det表示取矩阵的行列式，tr(·)表示计算矩阵的迹；

波束域多播功率分配优化问题的求解包括基于凹凸过程(CCCP)迭代算法优化窃听用户速率上界，以及基于确定性等同方法优化多播用户速率；其中，基于CCCP迭代算法优化窃听用户速率上界，具体包括：

(a)将安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界进行一阶泰勒级数展开近似，将非凸的问题转化为关于波束域功率分配的凸优化问题，将优化问题转变为求解下述问题：

s.t.tr{Λ}≤P

Λ≥0

泰勒级数展开过程中需要计算窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数是一个对角矩阵，对角元素其中上标i为迭代次数，M为基站发射天线根数，N_e为非法窃听用户接收天线根数，

(b)利用凸优化方法得到问题的解，并根据得到的解更新安全多播速率中窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数，将该导数值代入优化目标形成新的凸优化问题并再次求解；重复该凸优化问题求解-更新导数值-导数值带入优化目标产生新的凸优化问题-凸优化问题求解的过程，直至安全多播速率收敛；

基于确定性等同方法优化多播用户速率，具体包括：

(a)根据大维随机矩阵理论，利用波束域统计信道状态信息迭代计算确定性等同辅助变量Γ_k、和直至收敛；其中：B_k(X)和C_k(X)为对角矩阵，[B_k(X)]_j,j＝tr{diag{[Ω_k]_:,j}X}，上标i表示迭代次数，下标j表示矩阵元素行列号，⊙表示矩阵Hadamard乘积；

(b)利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算安全多播速率下界中的多播用户速率的确定性等同表达；

(c)将多播用户速率的确定性等同表达带入波束域多播功率分配的优化问题中，避免高复杂度的期望运算；

(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新。

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：所述步骤(1)中基站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播用户组中的用户进行安全多播通信，该安全多播通信的过程在波束域上实施。

3.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：所述波束域统计信道状态信息由基站根据接收到的合法用户和非法窃听用户发送的上行探测信号估计得出。

4.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：在各用户动态移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新；波束域统计信道状态信息的变化与具体应用场景有关，统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍。