[发明专利]基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法

摘要

本发明公开了一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，本发明提出的安全通信方法的主要思路为，在第一阶段(S1)首先设计保密用户的波束成形参数，尽量降低偷听端的SINR中的有用信号S的能量。而在第二阶段(S2),合理利用系统的多用户干扰，利用系统本身的多用户干扰进一步降低偷听端的干扰信号I的分量。通过上述两个阶段，最大化地降低偷听端的信干噪比SINR。此外，本方法和人工噪声方法的不同点还在于，本方法提出利用系统本身的自有的多用户干扰，通过增强偷听端干扰分量，来提升系统的安全性。多用户干扰信号除了作为对偷听的干扰外，还携带了非保密用户的传输信息。对于人工噪声方法，人工噪声信号往往消耗了相当部分的能量，而仅仅作为对偷听系统的干扰信号。

主权项

1.一种基于多用户多天线通信系统和保密波束成形设计的安全通信方法，其特征在于：设多用户多天线通信系统中包含一个发送端，K个合法用户和一个偷听用户，合法用户包含一个保密用户和K‑1个非保密用户；具体的安全通信方法包括以下步骤：S1：设计保密用户的发送波束成形、发送能量和保密接收端的接收波束成形，具体步骤如下：将发送端的波束成形设置为t₁，其中，t₁为合法用户信道和偷听用户信道的联合矩阵的对应特征值最大的特征向量，对应的发送功率设置为保密用户接收端的接收滤波设置为w₁＝c₁H₁t₁；S2：利用迭代算法优化非保密用户的发送波束成形[t2,t3,...,tK]、发送能量[E2,E3,...,EK]和保密接收端的接收波束成形[w2,w3,...,wK]，具体步骤如下：S2_01:采用上行下行信道对偶性原则利用迭代初始化算法对剩余K‑1个非保密用户接收端的接收滤波[w2,w3,...,wK]进行初始化；S2_02：确定保密用户接收端的零空间S2_03：通过求解波束成形与能量联合待定方程来对X进行求解，其中，x_i作为波束成形t_i和能量E_i的联合向量，且位于保密用户接收空间的零空间，为发送端波束成形和能量的联合矩阵，求解发送端波束成形和能量的联合矩阵的优化方程为：[X2,X3,...,XK]＝argminμXk≥0,Rank(Xk)＝1,k＝2,...,K.首先松弛掉上述方程中的Rank(Xk)＝1,k＝2,...,K的限制条件，此时，通过凸优化方法对上述联合待定方程求解；S2_04:为了从Xi中恢复xi进行如下的判断：a)如果得到的X_i满足秩等于1的限制，那么，可分解得到：那么，此时发送波束成形设置为：t_i＝x_i/||x_i||，对应的发送功率为：E_i＝||x_i||；b)如果得到的X_i不满足秩等于1的限制条件，那么通过得到的X_i按照高斯分布生成一组备选波束成形，在从备选组中选出最佳的波束成形并确定此时的发送能量。此时得到发送端的发送波束成形[t₂,…,t_K]及对应的发送能量[E₂,…,E_K]；S2_05:根据得到的发送端发送波形，按照最大信干噪比准则，重新更新此用户的接收波束成形[w2,…,wK]；S2_06：根据上面S2_05得到的最新的接收波束成形参数，重新迭代执行上述S2_02‑S2_05的过程，直到连续两次的发送波束成形和功率参数变化值小于给定的迭代精度∈；S2_07:将最后一次得到的接收波束成形[w2,…,wK]、发送波束成形[t2,…,tK]和对应的发送能量[E2,…,EK]作为接收端和发送端的配置参数。