[发明专利]一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法

权利要求书

1.一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)小区基站配置大规模天线阵列，基站通过波束赋形生成能够覆盖整个小区的波束集合，在生成的波束上与目标用户进行通信；

(2)基站获取小区中合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建服务质量保障的安全传输功率分配优化问题，利用Majorization-minimization过程和确定性等同方法对优化问题进行求解，并对发送给各用户的信号进行功率分配；所述服务质量保障的安全传输功率分配优化问题表示为：

subject to

Λ_k≥0,k＝1,...,K

其中，为用户k的可达遍历速率，为窃听用户对于用户k的窃听速率上界，为用户k收到干扰信号的协方差矩阵，上标-1表示矩阵求逆，min(·)表示取最小值，Λ₁,...,Λ_K为基站发送给各合法用户的信号协方差矩阵，N_k为用户k的接收天线数，N_eve为窃听用户的接收天线数，是维度为N_k×N_k的单位矩阵，是维度为N_eve×N_eve的单位矩阵，K为小区合法用户数，G_k和G_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，P为基站总功率约束，det表示取矩阵的行列式，tr(·)表示计算矩阵的迹，≥0表示矩阵非负定；

求解服务质量保障的安全传输功率分配优化问题所用的Majorization-minimization过程和确定性等同方法包括如下两个方面：

(a)利用矩阵运算重新将目标函数min(·)内重新组合成两项相减的形式：

其中

R_k,2(Λ₁,...,Λ_K)＝log det(K_k)+log det(K_eve,k)，

然后利用Majorization-minimization过程进行求解：

在当次迭代过程中将目标函数第二项进行一阶泰勒展开，得到如下优化问题：

subject to

Λ_k≥0,k＝1,...,K

上标l指示迭代次数；

利用凸优化方法求解上述优化问题，将得到的解带入目标函数产生下一次迭代的优化问题，并再次进行求解，直至相邻两次迭代过程中的系统最小用户安全传输速率下界的差值小于给定阈值停止迭代，最后一次迭代过程的解即优化问题的解；

(b)运用大维随机矩阵理论，在每一次迭代过程中计算R_k,1(Λ₁,...,Λ_K)的确定性等同：

其中，

和是对角矩阵，通过迭代求解：

Π_k(X)和Ξ_k(Y)分别生成M×M和N_k×N_k的对角矩阵，对角线上的元素分别为：

[Π_k(X)]_m,m＝tr{diag{[Ω_k]_:,m}X}

[Ξ_k(Y)]_n,n＝tr{diag{([Ω_k]_n,:)^T}Y}

M为基站天线数，diag表示向量的对角化，上标T表示矩阵的转置，Ω_k表示基站到用户k的统计信道状态信息，[·]_:,m和[·]_n,:分别表示取矩阵的第m列和第n行；

(3)在小区中各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态更新服务质量保障的安全传输功率分配结果。

2.根据权利要求1所述的一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，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小区合法用户进行通信，该通信的过程在波束域上实施。