CN107294575B - 一种大规模mimo波束域安全通信方法 - Google Patents

一种大规模mimo波束域安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO波束域安全通信方法，包括如下步骤：(1)基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合，基站在生成的波束上与合法用户进行波束域安全通信；(2)基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配，或者基站通过合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息为每个合法用户分配不同的波束或波束子集进行通信。本发明保证了无线通信的安全性，同时适用于时分双工和频分双工***，能够获得近似最优的功率分配性能。

Description

一种大规模MIMO波束域安全通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是一种大规模MIMO波束域安全通信方法。
背景技术
为适应移动通信业务量的迅猛增长，在频谱资源有限的情况下，采用大规模MIMO技术可以大幅提高无线通信***的功率效率和频谱效率。同时，由于无线网络的开放性，如何确保信息传输的安全性成为无线通信***需要解决的问题之一。随着计算机运算能力与运算速度的提升，传统的网络层加密方法已不再可靠。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***的安全性。
在大规模MIMO安全通信中，为了获得更高的安全和速率，需要对不同用户的发送信号进行设计。对于这类问题，由于目标函数是非凸函数，通常很难得到全局最优解。并且当基站侧天线数量较大时，采用内点法求解的实现复杂度很高。为此，本发明提出了一种实现复杂度低的大规模MIMO波束域安全通信方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大规模MIMO波束域安全通信方法，能够保证无线通信的安全性，获得近似最优的功率分配性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大规模MIMO波束域安全通信方法，包括如下步骤：
(1)基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合，基站在生成的波束上与合法用户进行波束域安全通信；
(2)基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配，或者基站通过合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息为每个合法用户分配不同的波束或波束子集进行通信。
优选的，步骤(1)中的基站侧配置由大量天线所构成的天线阵列，基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法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多个合法用户进行安全通信，该安全通信的过程在波束域上实施。
优选的，步骤(2)中基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配或为每个合法用户分配不同的波束进行通信，窃听用户伪装成小区中空闲的合法用户，在上行信道探测阶段，合法用户和窃听用户发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计出实施用户功率分配或波束选择所需的波束域统计信道信息，具体的功率分配算法包括基于确定性等同的迭代算法和迭代注水算法。
优选的，基于确定性等同的迭代算法包括如下步骤：
(1)利用大维随机矩阵理论，通过合法用户的波束域统计信道信息，计算可达遍历安全和速率下界表达式中第一项的确定性等同；
(2)计算可达遍历安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数；
(3)迭代求解关于功率分配的凸优化问题，所述功率分配问题的目标函数是先将可达遍历安全和速率下界表达式中的被减项利用前一次迭代所得的功率分配矩阵和安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数进行一阶近似，即是将导致安全和速率下界表达式非凸的一部分线性化，将可达遍历安全和速率下界表达式中第一项替换为其确定性等同表达式，从而获得关于功率分配的凸优化问题；
(4)利用迭代注水算法求解上述凸优化问题，获得功率分配矩阵，并计算此时可达遍历安全和速率下界的确定性等同；
(5)迭代上述过程直至安全和速率下界的确定性等同收敛，即前后两次迭代结果的安全和速率下界的确定性等同之差小于某个预设门限值。
优选的，迭代注水算法包括如下步骤：
(1)为所有用户的每个波束定义其对应的迭代注水子函数；某一波束的迭代注水子函数是将除该波束外所有波束的上一次功率分配结果代入基于确定性等同的迭代算法的步骤(4)中凸优化问题的目标函数后所得的函数，计算所有波束的迭代注水子函数的算术平均，得到新的目标函数，并将原问题转化为迭代求解一系列凸问题；
(2)利用KKT条件得到与优化问题等价的分式方程，通过求解该分式方程得到计算注水结果需要的辅助矩阵；
(3)利用上一步获得的辅助矩阵，更新的注水结果；
(4)迭代上述过程，直至前后两次注水结果的目标函数值之差小于某个预设门限值，并在迭代结束时将注水结果赋值给基于确定性等同的迭代算法中步骤(4)所求的功率分配矩阵。
本发明的有益效果为：(1)基站与各个用户在波束域上实施安全通信，可以与其无线信道的空间特性相匹配，从而获取使用大规模天线阵列所带来的功率效率和频谱效率的提高，同时保证了无线通信的安全性；(2)利用窃听用户和合法用户的波束域统计信道信息对发送信号进行设计，所需的各用户的波束域统计信道信息可以通过稀疏的探测信号获得，该传输方法同时适用于时分双工和频分双工***；(3)利用基于确定性等同的迭代算法以及迭代注水算法，显著降低物理层的实现复杂度，并且该方法能够获得近似最优的功率分配性能。
附图说明
图1为本发明存在窃听用户的大规模MIMO***示意图。
图2为本发明的基于确定性等同的迭代算法的流程示意图。
图3为本发明的迭代注水算法的流程示意图。
具体实施方式
一种大规模MIMO波束域安全通信方法，包括如下步骤：
(1)基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合，基站在生成的波束上与合法用户进行波束域安全通信；
(2)基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配，或者基站通过合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息为每个合法用户分配不同的波束或波束子集进行通信。
步骤(1)中的基站侧配置由大量天线所构成的天线阵列，基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法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多个合法用户进行安全通信，该安全通信的过程在波束域上实施。
步骤(2)中基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配或为每个合法用户分配不同的波束进行通信，窃听用户伪装成小区中空闲的合法用户，在上行信道探测阶段，合法用户和窃听用户发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计出实施用户功率分配或波束选择所需的波束域统计信道信息，具体的功率分配算法包括基于确定性等同的迭代算法和迭代注水算法。
图1为存在窃听用户的大规模MIMO***示意图，考虑单小区场景，基站侧配置M(M为102或103数量级)根发射天线，小区中有K个用户，每个用户配置Nr跟接收天线。另外，小区中存在一个配置有Ne根接收天线的窃听用户。基站可以采用模拟多波束成形或数字多波束成形的方法将发送的空间域信号变换到波束域。之后，考虑基站在波束域上向不同用户发送信号。
考虑窃听用户伪装成小区中的空闲用户，故在信道探测阶段，合法用户和窃听用户都发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号估计合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息,即
Figure GDA0002360412650000041
和
Figure GDA0002360412650000042
其中Hk和Heve分别为第k个用户和窃听用户的波束域信道矩阵，运算符⊙为矩阵Hadamard乘积，
Figure GDA0002360412650000043
表示期望运算。
假设基站发送给第k个用户的波束域信号为xk，发送信号的协方差矩阵为
Figure GDA0002360412650000044
考虑到波束域信道基站侧的低相关性，基站在各个波束上发送相互独立的数据流，即矩阵Qk(k＝1,…,K)为对角矩阵。注意到在波束域安全通信中，为了获得更高的安全和速率，需要对发送信号的协方差矩阵Qk(k＝1,…,K)进行优化，即在基站侧对发射波束进行功率分配。为此，本发明提出一种利用波束域统计信道信息的波束域安全传输功率分配方法，该方法包括了基于确定性等同的迭代算法和迭代注水算法。
由于在计算***的可达遍历安全和速率下界时，需要使用Monte-Carlo仿真对信道进行遍历。为降低计算复杂度，本实施例利用大维随机矩阵理论来计算可达遍历安全和速率下界的确定性等同。此方法仅需波束域统计信道信息即可获得安全和速率下界的逼近结果。同时，由于通常很难直接获得最优的发送信号的协方差矩阵，本算法进一步采用CCCP迭代计算出功率分配结果。如图2所示，基于确定性等同的迭代算法的实现过程，算法的详细过程如下：
步骤1，初始化发送信号的协方差矩阵
Figure GDA0002360412650000045
设置迭代次数指示i＝0。在初始化发送信号的协方差矩阵
Figure GDA0002360412650000046
时，可以根据波束域统计信道信息为波束增益最强的M个波束分配功率PM，其中P为基站总功率约束。
步骤2，定义
Figure GDA0002360412650000047
并利用
Figure GDA0002360412650000048
迭代计算第i次迭代用到的确定性等同辅助变量Φk和
Figure GDA0002360412650000049
为
Figure GDA00023604126500000410
Figure GDA00023604126500000411
直至收敛，其中，ηk(X)和
Figure GDA0002360412650000051
为对角矩阵，其对角元素可以计算为
Figure GDA0002360412650000052
Figure GDA0002360412650000053
步骤3，利用确定性等同辅助变量Φk和
Figure GDA0002360412650000054
计算
Figure GDA0002360412650000055
和
Figure GDA0002360412650000056
为
Figure GDA0002360412650000057
Figure GDA0002360412650000058
同时，计算安全和速率下界确定性等同
Figure GDA0002360412650000059
为
Figure GDA00023604126500000510
其中，
Figure GDA00023604126500000511
步骤4，计算CCCP中需要用到的导数项
Figure GDA00023604126500000512
为
Figure GDA00023604126500000513
其中，tr(·)表示计算矩阵的迹的运算。令ωl,j和ωeve,j分别为Ωl和Ωeve的第j行，则Rl,j和Reve,j分别为以向量ωl,j和ωeve,j为对角元的对角矩阵。
步骤5，利用迭代注水算法求解如下凸优化问题：
Figure GDA00023604126500000514
步骤6，根据凸优化问题(9)的解，计算出新的安全和速率下界确定性等同。利用由步骤5得到的
Figure GDA00023604126500000515
根据公式(1)～(2)，迭代计算出新的辅助变量Φk和
Figure GDA00023604126500000516
直至收敛。同时，利用公式(5)～(7)计算出
Figure GDA00023604126500000517
Figure GDA00023604126500000518
和新的安全和速率下界确定性等同
Figure GDA0002360412650000061
步骤7，比较新的安全和速率下界确定性等同
Figure GDA0002360412650000062
和上一次的迭代结果
Figure GDA0002360412650000063
如果两者之间的差值小于等于预先设置好的门限值ε1，则迭代结束。否则，令i＝i+1，并返回步骤4。
在本实施例中，虽然在迭代计算发送信号协方差矩阵
Figure GDA0002360412650000064
的过程中还需要迭代计算确定性等同辅助变量Φk和
Figure GDA0002360412650000065
但是这两个迭代过程的收敛速率很快。另外，在基于确定性等同的迭代算法中，仅使用波束域统计信道信息，不需要对信道的瞬时值进行遍历。因此，该算法的计算复杂度低。同时，由于本算法利用了CCCP，故可以获得近似最优的发送信号协方差矩阵。
在求解如下凸优化问题(9)时，由于基站侧天线数目较大，采用传统的求解凸问题的算法(如内点法)的计算复杂度很高，因而本实施例给出复杂度低的迭代注水算法。如图3所示，迭代注水算法的实现过程，详细过程如下：
步骤1，初始化对角矩阵
Figure GDA0002360412650000066
设置迭代次数指示t＝0。计算此时优化问题的目标函数值
Figure GDA0002360412650000067
为
Figure GDA0002360412650000068
步骤2，计算第t+1次迭代注水需要的辅助矩阵
Figure GDA0002360412650000069
令对角矩阵
Figure GDA00023604126500000610
Figure GDA00023604126500000611
Rk,j和
Figure GDA00023604126500000612
的第m个对角线元素分别为
Figure GDA00023604126500000613
rk,j,m和
Figure GDA00023604126500000614
则
Figure GDA00023604126500000615
矩阵的第m个对角线元素
Figure GDA00023604126500000616
满足
Figure GDA00023604126500000617
其中，集合
Figure GDA00023604126500000618
和变量νk,m分别为
Figure GDA00023604126500000619
Figure GDA00023604126500000620
同时，μ≥0为辅助变量，其使得
Figure GDA0002360412650000071
满足约束条件
Figure GDA0002360412650000072
求解(11)式，得到辅助矩阵
Figure GDA0002360412650000073
注意到在利用(11)式求解
Figure GDA0002360412650000074
时，可以通过牛顿法，或者其他求解分式方程的方法。
步骤3，更新第t+1次迭代注水的结果。根据步骤2中获得的对角矩阵
Figure GDA0002360412650000075
计算出
Figure GDA0002360412650000076
如果
Figure GDA0002360412650000077
则第t次迭代注水的结果为
Figure GDA0002360412650000078
否则，注水结果为
Figure GDA0002360412650000079
步骤4，根据(10)式和矩阵
Figure GDA00023604126500000710
计算出
Figure GDA00023604126500000711
步骤5，将第t+1次迭代的结果
Figure GDA00023604126500000712
与第t次迭代的结果
Figure GDA00023604126500000713
进行比较，如果两者之间的差值小于等于预先设置好的门限值ε2，则更新
Figure GDA00023604126500000714
即
Figure GDA00023604126500000715
并结束迭代。否则，令t＝t+1，并返回步骤2。
在利用迭代注水算法求解如下凸优化问题(9)时，虽然需要迭代计算
Figure GDA00023604126500000716
但是这个迭代过程通常只需要几次迭代就能收敛，因而其复杂度较低。同时，可以证明，
Figure GDA00023604126500000717
能够收敛到问题(9)的最优解。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法生成能够覆盖整个小区的波束集合，基站在生成的波束上与合法用户进行波束域安全通信；基站侧配置由大量天线所构成的天线阵列，基站通过模拟多波束成形或数字多波束成形或模拟与数字混合波束成形的方法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多个合法用户进行安全通信，该安全通信的过程在波束域上实施
(2)基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配，或者基站通过合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息为每个合法用户分配不同的波束或波束子集进行通信；基站利用合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息对发送信号进行功率分配或为每个合法用户分配不同的波束进行通信，窃听用户伪装成小区中空闲的合法用户，在上行信道探测阶段，合法用户和窃听用户发送上行探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计出实施用户功率分配或波束选择所需的波束域统计信道信息，具体的功率分配算法包括基于确定性等同的迭代算法和迭代注水算法。
2.如权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，基于确定性等同的迭代算法包括如下步骤：
(1)利用大维随机矩阵理论，通过合法用户的波束域统计信道信息，计算可达遍历安全和速率下界表达式中第一项的确定性等同；
(2)计算可达遍历安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数；
(3)迭代求解关于功率分配的凸优化问题，所述功率分配问题的目标函数是先将可达遍历安全和速率下界表达式中的被减项利用前一次迭代所得的功率分配矩阵和安全和速率下界表达式中被减项关于功率分配矩阵的导数进行一阶近似，即是将导致安全和速率下界表达式非凸的一部分线性化，将可达遍历安全和速率下界表达式中第一项替换为其确定性等同表达式，从而获得关于功率分配的凸优化问题；
(4)利用迭代注水算法求解上述凸优化问题，获得功率分配矩阵，并计算此时可达遍历安全和速率下界的确定性等同；
(5)迭代上述过程直至安全和速率下界的确定性等同收敛，即前后两次迭代结果的安全和速率下界的确定性等同之差小于某个预设门限值。
3.如权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全通信方法，其特征在于，迭代注水算法包括如下步骤：
(1)为所有用户的每个波束定义其对应的迭代注水子函数；某一波束的迭代注水子函数是将除该波束外所有波束的上一次功率分配结果代入基于确定性等同的迭代算法的步骤(4)中凸优化问题的目标函数后所得的函数，计算所有波束的迭代注水子函数的算术平均，得到新的目标函数，并将原问题转化为迭代求解一系列凸问题；
(2)利用KKT条件得到与优化问题等价的分式方程，通过求解该分式方程得到计算注水结果需要的辅助矩阵；
(3)利用上一步获得的辅助矩阵，更新的注水结果；
(4)迭代上述过程，直至前后两次注水结果的目标函数值之差小于某个预设门限值，并在迭代结束时将注水结果赋值给基于确定性等同的迭代算法中步骤(4)所求的功率分配矩阵。
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