[发明专利]能效最优的大规模MIMO安全多播传输功率分配方法

说明书

本发明提出了一种基于统计信道状态信息的能效最优的大规模MIMO安全多播传输功率分配方法，用于用大规模天线阵列和统计信道状态信息使用。基站发射的公共信号多播传输给多个合法目标用户，发射区域内存在一个窃听者窃听，在传输过程中基站获取各用户和窃听者的统计信道状态信息，并实施能效最优的多播传输功率分配，利用MinorizeMaximize方法，Dinkelbach变换和确定性通过两层迭代求解一系列的凸优化子问题来获得安全多播的波束域功率分配矩阵。当基站与各用户和窃听者之间的统计信道状态信息发生变化时，基站能动态实施能效最优的安全多播传输功率分配，复杂度低，能够有效提高大规模MIMO安全多播传输的能效。

技术领域

本发明涉及一种多播传输功率分配方法，尤其适用于用大规模天线阵列和统计信道状态信息使用的能效最优的大规模MIMO安全多播传输功率分配方法，属于通信领域。

背景技术

大规模MIMO系统中，基站端布置大规模天线阵列以同时服务多个用户。采用大规模MIMO技术可以有效降低用户间干扰，大幅提高无线通信系统的能效和谱效。大规模MIMO下行链路传输过程中，基站侧通过酉变换将发送信号转换到波束域，在波束域信道进行信号传输，充分利用大规模天线阵列的空间角度分辨率和用户信道在波束域中的集中特性。

在安全多播场景下，对于基站通过多播传输发送给合法用户的公共信号，会被监听者监听，为了满足通信传输安全性同时又考虑系统的能源消耗，提出了以能效(给合法目标用户最低传输速率和监听者的正差值与总功率消耗的比值)为优化目标的问题，得到基站侧的安全多播传输的波束域功率分配矩阵。

传统的能效优化问题常基于瞬时信道状态信息，而在大规模MIMO系统中，瞬时信道状态信息的获取有难度，并且当基站侧天线数较大时，求解系统单播和多播速率过程中求期望过程的复杂度很高。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，能够实现安全多播传输功率分配，有效提高系统的能效，并降低实现复杂度的能效最优的大规模MIMO安全多播传输功率分配方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明能效最优的大规模MIMO安全多播传输功率分配方法，使用的发射端基站侧配置M根发送天线的大规模天线阵列，接收终端有K个合法目标用户以及一个监听者，其中有K个合法目标用户，属于同一个多播组，用户的集合为监听者配置N_e根接收天线；基站通过波束赋形将公共信号安全多播传输给多个合法目标用户，使得该信号不会被窃听者窃听；

步骤如下：

S1基站根据接收到的探测信号获得用户和窃听者的统计信道状态信息，

S2利用安全多播传输波束域功率分配方式进行波束赋形多播传输给若干个合法的目标用户，确保合法目标用户能够正常数据传输，同时避免被窃听者获得有效信息；具体通过给合法目标用户的最低数据传输速率和监听者数据传输速率的正差值与总功率消耗的比值，使得所有合法用户安全接受信号的最大安全能效；

S3通信过程中当用户移动时，基站与各用户之间的统计信道状态信息会发生变化，基站更新各用户的统计信道状态信息，重复实施步骤S2的大规模MIMO下行安全多播传输波束域功率分配。

具体步骤如下：

(1)基站根据接收到的探测信号获得用户和窃听者的统计信道状态信息，将对公共信息信号进行波束赋形多播传输给若干个合法的目标用户，同时确保传输安全性，避免被窃听者获得有效信息；

(2)利用安全多播传输的能效表达给合法目标用户的最低数据传输速率和监听者数据传输速率的正差值与总功率消耗的比值，获得所有合法用户能安全接受信号的安全能效值；通过采用监听者传输速率上届，可以获得该安全能效下届，然后将问题转化为波束域功率分配问题，功率分配优化的目标为在满足系统功率约束的情况下最大化安全能效；功率分配优化问题的求解包括两层迭代，具体步骤如下：