[发明专利]一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法

说明书

本发明提出一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，该方法中小区基站配置大规模天线阵列，并通过波束赋形生成覆盖整个小区的大规模波束集合。小区基站根据小区合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，对波束域发送给各个合法用户的信号进行服务质量保障的波束域功率分配。其中，波束域功率分配基于Majorization‑minimization过程和确定性等同方法，通过迭代求解凸优化问题获得波束域最优功率分配矩阵。该功率分配结果随着波束域统计信道信息的变化而动态更新。本发明方法能够有效保证多播无线通信的安全性，保障小区各用户的服务质量，并且能显著降低服务质量保障的安全无线传输实现复杂度。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用大规模天线阵列且能够保障服务质量的安全传输方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-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，吸引了学术界和产业界的广泛关注，成为5G通信最具发展前景的技术之一。

由于无线介质的广播性质，如何确保信息的安全传输成为无线通信亟待解决的问题。随着计算机解密运算能力的不断提升，传统的网络层加密方法已经不再可靠。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。

传统的物理层安全传输方法以最大化系统信息传输和速率为目标，这样做可能导致部分信道条件较差的用户无法进行正常通信，基本的服务质量不能得到保障。

在大规模MIMO安全通信过程中需要对给不同用户的发送信号进行设计。对于此类功率分配问题往往非凸，很难得到全局最优解，并且当基站侧天线数量较大时求解的实现复杂度很高。为此，本发明提出一种服务质量保障的利用统计信道信息的低复杂度大规模MIMO波束域安全无线传输方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种利用大规模天线阵列和统计信道状态信息，考虑场景中存在窃听用户的保障服务质量的安全无线传输方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，包括以下步骤：

(1)小区基站配置大规模天线阵列，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，并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；

(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。

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；

所述步骤(2)中基站利用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，所以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，构建并求解服务质量保障的安全传输功率分配优化问题。该优化问题目标函数为最大化系统最小用户安全传输速率下界，优化变量为发送给各合法用户的信号协方差矩阵，约束条件为各发送信号协方差矩阵之和满足功率约束；其中用户安全传输速率下界为合法用户信息传输速率与非法窃听用户对该合法用户信号的窃听速率上界的差值；