[发明专利]一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法

说明书

本发明提出一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，该方法中无线通信的基站侧配置了大规模天线阵列，并且基站侧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覆盖整个小区的大规模波束集合。基站根据合法用户和窃听用户的波束域统计信道状态信息，对波束域的发送信号进行功率分配。其中，波束域功率分配算法包括基于确定性等同和CCCP的迭代算法，通过迭代求解凸优化问题获得波束域功率分配矩阵。多播过程中波束域功率分配结果随着统计信道状态信息的变化动态更新。本发明所提出的方法解决了大规模MIMO无线通信系统多播传输的复杂度及安全性问题。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种在多播通信场景下利用大规模天线阵列的波束域安全无线传输方法。

背景技术

在频谱资源有限的情况下，采用大规模多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技术可以大幅提高无线通信系统的频谱效率和功率效率，适应不断增长的无线业务需求。多播通信场景下，基站将同样的信息同时传递给目标用户组。同时，由于无线网络的开放性，非法用户窃听信息的现象日趋严重。如何确保信息传输的安全性成为无线通信系统亟需解决的问题之一。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。

在多播场景下的大规模MIMO安全通信过程中，为了获得的更高的安全多播速率，基站侧需要对多播用户的发送信号进行设计。传统方法大多利用瞬时信道信息实施多播传输，而瞬时信道信息在实际系统中较难获取。此外，安全多播传输中安全多播速率是非凸函数，多播预编码设计通常很难得到全局最优解。并且当基站侧天线数量较大时，使用传统内点法求解的实现复杂度较高。为此，本发明提出了一种实现复杂度较低的利用统计信道信息的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种在基站侧对合法用户组进行多播并且存在非法窃听用户的场景下利用统计信道信息和大规模天线阵列进行安全多播无线传输的方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，包括以下步骤：

(1)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的优化目标为最大化安全多播速率的下界值，优化变量为基站发送信号的协方差矩阵；约束条件为基站发送信号的协方差矩阵满足功率约束；所述安全多播速率的下界值为最小多播用户速率与窃听用户速率上界的差值；

(3)在各用户动态移动过程中，随着基站与多播用户组内用户之间波束域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。

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。

所述步骤(2)中基站利用多播用户组中合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息对发送信号进行功率分配。由于非法窃听用户伪装成多播用户组中的合法用户，在上行信道探测阶段，多播用户组中合法用户和非法窃听用户发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计出实施用户波束域功率分配或波束选择所需的波束域统计信道状态信息。具体的功率分配算法为基于确定性等同和凹凸过程(Concave-ConvexProcedure,CCCP)的迭代算法。

上述的基于CCCP的功率分配方法包括：