[发明专利]一种MIMO安全通信中最优伪噪声功率配置方法

权利要求书

1.一种MIMO安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：在大规模天线安全通信系统中，基站的每根天线连接一个低精度数模转换器；所述大规模天线安全通信系统，包括1个配置N根发射天线的基站，K个配置单根接收天线的合法用户，1个配置M根天线的窃听者；窃听者能对基站传输给合法用户的信号进行窃听且不被发现；

步骤2：基站根据已知合法用户的信道，将该合法用户的信道矩阵的零空间作为伪噪声的预编码矩阵，将该合法用户的信道矩阵归一化作为有效信号的预编码矩阵；

步骤3：将基站的发射功率设为P，定义ξ∈(0,1]为有效信号、伪噪声功率分配因子，基站对合法用户发射的有效信号功率表示为ξP，伪噪声功率表示为(1-ξ)P；有效信号和伪噪声分别为K×1维向量和(N-K)×1维向量，有效信号和伪噪声的元素都服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

步骤4：建立合法用户的遍历速率分析模型，计算空间相关信道下每个合法用户遍历速率的下界；

步骤5：建立窃听者的遍历信道容量分析模型，计算空间相关信道下窃听者遍历信道容量的上界；

步骤6：根据步骤4和步骤5，计算每个合法用户的遍历安全传输速率下界；

步骤7：求解优化问题maxR_sec，得到ξ的最优值ξ^*；

步骤8：基站在下行链路与用户安全通信时，采用步骤7中的ξ^*对信号、伪噪声功率进行分配；

所述步骤1中，基站与合法用户之间的信道表示为是K×N维矩阵；基站与窃听者之间的信道表示为是M×N维矩阵；R是信道相关矩阵；代表基站到合法用户的小尺度衰落，其元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；代表基站到窃听者的小尺度衰落，其元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布；矩阵D中的元素表示基站到合法用户信道的大尺度衰落，矩阵D_e中的元素表示基站到窃听者信道的大尺度衰落；其中大尺度衰落与基站到接收端的距离相关；

所述步骤4中，每个合法用户的遍历速率下界按如下公式计算：

其中，β_k是基站到第k个合法用户的大尺度衰落参数，γ₀是系统的平均信噪比，ρ对应DAC量化比特的衰减系数，β_i是矩阵D对角线上第i个元素，β_j是矩阵D对角线上第j个元素，R是信道相关矩阵；

所述步骤5中，窃听者的遍历信道容量上界按如下公式计算：

其中，β_k是基站到第k个合法用户的大尺度衰落参数，ρ对应DAC量化比特的衰减系数，β_i是矩阵D对角线上第i个元素，R是信道相关矩阵；

所述步骤6中，根据步骤4和步骤5，每个合法用户的遍历安全传输速率下界按如下公式计算：

2.根据权利要求1所述的一种MIMO安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征是所述步骤2中，伪噪声预编码矩阵V满足HV＝0_N-K，有效信号预编码矩阵W满足W＝H/||H||；其中，H是基站与合法用户之间的信道。

3.根据权利要求1所述的一种MIMO安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征是所述低精度数模转换器的精度为1，2，3比特时，ρ相应的取值为0.3634，0.1175，0.0345。

4.根据权利要求1所述的一种MIMO安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征是所述步骤7中，求解优化问题maxR_sec，得到ξ的最优值ξ^*，具体为：求解方程得到ξ的最优值为：

其中A，B，和C的取值分别为：

A＝L₁L₂(G₂-G₃)-G₁L₃(L₁+L₃)；

上式中L₁，L₂，L₃，G₁，G₂，G₃分别定义为：

L₂＝ρβ_kγ₀+1；

G₃＝Mtr(R²)β_k。