CN109150257B - 一种大规模mimo波束域安全多播无线传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，该方法中无线通信的基站侧配置了大规模天线阵列，并且基站侧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覆盖整个小区的大规模波束集合。基站根据合法用户和窃听用户的波束域统计信道状态信息，对波束域的发送信号进行功率分配。其中，波束域功率分配算法包括基于确定性等同和CCCP的迭代算法，通过迭代求解凸优化问题获得波束域功率分配矩阵。多播过程中波束域功率分配结果随着统计信道状态信息的变化动态更新。本发明所提出的方法解决了大规模MIMO无线通信***多播传输的复杂度及安全性问题。

Description

一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种在多播通信场景下利用大规模天线阵列的波束域安全无线传输方法。
背景技术
在频谱资源有限的情况下，采用大规模多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技术可以大幅提高无线通信***的频谱效率和功率效率，适应不断增长的无线业务需求。多播通信场景下，基站将同样的信息同时传递给目标用户组。同时，由于无线网络的开放性，非法用户窃听信息的现象日趋严重。如何确保信息传输的安全性成为无线通信***亟需解决的问题之一。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。
在多播场景下的大规模MIMO安全通信过程中，为了获得的更高的安全多播速率，基站侧需要对多播用户的发送信号进行设计。传统方法大多利用瞬时信道信息实施多播传输，而瞬时信道信息在实际***中较难获取。此外，安全多播传输中安全多播速率是非凸函数，多播预编码设计通常很难得到全局最优解。并且当基站侧天线数量较大时，使用传统内点法求解的实现复杂度较高。为此，本发明提出了一种实现复杂度较低的利用统计信道信息的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种在基站侧对合法用户组进行多播并且存在非法窃听用户的场景下利用统计信道信息和大规模天线阵列进行安全多播无线传输的方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，包括以下步骤：
(1)基站与用户组进行多播通信的场景下，配置大规模天线阵列的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；
(2)基站利用多播用户组中的合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建并求解波束域多播功率分配优化问题对发送信号进行功率分配；所述波束域多播功率分配优化问题的优化目标为最大化安全多播速率的下界值，优化变量为基站发送信号的协方差矩阵；约束条件为基站发送信号的协方差矩阵满足功率约束；所述安全多播速率的下界值为最小多播用户速率与窃听用户速率上界的差值；
(3)在各用户动态移动过程中，随着基站与多播用户组内用户之间波束域统计信道状态信息变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新。
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多播用户组中的用户进行安全多播通信，该安全多播通信的过程在波束域上实施。
所述步骤(2)中基站利用多播用户组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，多播用户组中合法用户和非法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。具体的功率分配算法为基于确定性等同和凹凸过程(Concave-ConvexProcedure,CCCP)的迭代算法。
上述的基于CCCP的功率分配方法包括：
(a)将安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界进行一阶泰勒展开近似，将非凸的问题转化为关于波束域功率分配的凸优化问题。泰勒展开过程中需要计算安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数。
(b)利用内点法或其他优化方法得到问题的解，根据得到的解计算安全多播速率，并根据上述解更新安全多播速率中窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数，产生新的优化问题并求解。重复该凸优化问题求解-更新导数值-导数值带入优化目标产生新的凸优化问题-凸优化问题求解的过程直至安全多播速率收敛。
上述的确定性等同方法包括：
(a)根据大维随机矩阵理论，利用波束域统计信道状态信息迭代计算确定性等同辅助变量直至收敛。
(b)利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算安全多播速率下界中的多播速率的确定性等同表达。
(c)将多播速率的确定性等同表达带入波束域多播功率分配的优化问题中，避免高复杂度的期望运算。
所述步骤3)中，随着各用户的动态移动，基站与各用户之间的波束域统计信道状态信息发生变化，基站根据变化后的统计信道状态信息重新实施前述的波束域功率分配，从而实施多播过程的动态更新。波束域统计信道状态信息的变化与具体应用场景有关，其典型的统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的统计信道状态信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.基站与多播用户组中各个用户在波束域上实施安全多播通信，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，同时保证了多播无线通信的安全性。
2.利用非法窃听用户和多播用户组中合法用户的波束域统计信道状态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状态信息可以通过稀疏的探测信号获得，所提出的多播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和CCCP的迭代算法，显著降低安全多播通信的实现复杂度，并且该方法能够获得近似最优的性能。
附图说明
图1为利用统计信道状态信息的波束域大规模MIMO安全多播无线传输方法流程图。
图2为存在窃听用户的大规模MIMO多播***示意图。
图3为基于确定性等同和CCCP的迭代算法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图。
如图1所示，本发明实施例公开的一种利用统计信道状态信息的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，主要包括以下步骤：
1)基站配置大规模天线阵列，通过波束赋形方法生成能够覆盖整个小区的大规模波束集合。本步骤中，基站通过模拟多波束赋形或数字多波束赋形的方法生成能够覆盖整个小区的大规模波束集合，从而实现空间资源的波束域划分。基站在同一时频资源上与合法用户进行安全多播通信，该安全多播通信的过程在波束域上实施。
2)基站利用多播用户组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通过构建并求解波束域多播功率分配优化问题发送信号进行功率分配，或为合法用户组用户分配波束或波束子集进行安全多播通信。
3)在各用户动态移动过程中，随着基站与多播用户组内用户之间波束域统计信道状态信息变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新。
下面以图2所示的存在非法窃听用户的大规模MIMO多播***场景为例，对本发明实施例的方法做详细说明。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，天线间隔为半波长。小区中有K个多播目标用户，每个用户配置Nr根接收天线。另外，小区中存在一个配置有Ne根接收天线的非法窃听用户。基站可以采用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将发送的空间域信号变换到波束域。之后，基站在波束域发送下行多播信号。
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，多播用户组中的合法用户和非法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状态信息,即
Figure GDA0002443513730000041
和
Figure GDA0002443513730000042
其中Hk和Heve分别为第k个合法用户和非法窃听用户的波束域信道矩阵，运算符⊙为矩阵Hadamard乘积，*为矩阵的共轭，
Figure GDA0002443513730000043
表示期望运算。
假设基站发送的波束域多播信号为x，发送信号的协方差矩阵为
Figure GDA0002443513730000044
多播用户速率可以表示为：
Figure GDA0002443513730000051
其中min表示取最小值运算，log表示对数运算，det表示取矩阵的行列式，H为矩阵的共轭转置。
窃听用户速率上界可以表示为：
Figure GDA0002443513730000052
因此得到安全多播速率的下界值：
Rsec,lb(Λ)＝[Rmc(Λ)-Reve,ub(Λ)]+ (3)
其中[x]+表示取0和x中较大的数，确保安全多播速率非负。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Λ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多播和速率，需要对发送信号的协方差矩阵Λ进行优化，即在基站侧对发射波束进行功率分配，即解决如下优化问题：
Figure GDA0002443513730000053
此问题目标函数非凸，很难得到全局最优解，且实现复杂度很高。为此，本发明实施例采用基于确定性等同和CCCP的迭代算法求解上述波束域多播功率分配优化问题。
基于CCCP的功率分配方法包括：
a.将安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界进行一阶泰勒展开近似将非凸的问题转化为关于波束域功率分配的凸优化问题。该过程需要计算安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数。
b.利用内点法或其他优化方法得到问题的解，根据得到的优化问题的解计算安全多播速率，并根据得到的解更新安全多播速率中窃听用户速率上界关于功率分配矩阵的导数，将该导数值代入优化目标产生新的优化问题并再次求解。重复上述凸优化问题求解-更新导数值-导数值带入优化目标产生新的凸优化问题-凸优化问题求解的过程直至安全多播速率收敛，即相邻两次迭代结果的安全多播速率之差小于给定阈值。
由于在计算***的可达遍历安全多播速率下界时，需要使用Monte-Carlo仿真对信道进行遍历。为降低计算复杂度，本实施例在CCCP迭代算法的基础上利用大维随机矩阵理论来计算可达遍历安全多播速率下界的确定性等同。此方法仅需波束域统计信道状态信息即可获得安全多播速率下界的逼近结果。
上述的确定性等同方法包括：
a.根据大维随机矩阵理论，利用波束域统计信道状态信息迭代计算确定性等同辅助变量直至收敛。
b.利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算安全多播速率下界中的多播速率的确定性等同表达。
c.将多播速率的确定性等同表达带入波束域多播功率分配的优化问题中，避免高复杂度的期望运算。
图3给出了基于确定性等同和CCCP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Λ(0)，设置迭代次数指示i＝0。在初始化发送信号的协方差矩阵Λ(0)时，可以根据波束域统计信道信息为波束增益最强的N个波束分配功率P/N，其中P为基站总功率约束。N的取值方式可以如下：计算每个用户的波束域信道相关阵和窃听用户的波束域信道相关阵的差值，
Figure GDA0002443513730000061
Rdiff_k是一个M×M的对角阵，其对角元素为
Figure GDA0002443513730000062
可以取对于该用户能量覆盖达80％的波束集合，然后所有K个多播用户的波束集合取并集得到集合Υ，N就是集合Υ中元素的个数。
步骤2：利用Λ(i)迭代计算第i次迭代用到的确定性等同辅助变量Γk、
Figure GDA0002443513730000063
和
Figure GDA0002443513730000064
Figure GDA0002443513730000065
Figure GDA0002443513730000066
Figure GDA0002443513730000067
直至辅助变量收敛，即迭代过程中辅助变量的变化值小于给定阈值。其中，Bk(X)和Ck(X)为对角矩阵，其对角元素可以计算为
[Bk(X)]j,j＝tr{diag{[Ωk]:,j}X} (8)
Figure GDA0002443513730000071
同时，根据得到的辅助变量计算安全多播和速率下界确定性等同
Figure GDA0002443513730000072
为
Figure GDA0002443513730000073
步骤3：利用CCCP线性化多播速率下界中的窃听用户速率上界项，将优化问题转化为如下凸优化问题：
Figure GDA0002443513730000074
其中，tr(·)表示计算矩阵的迹的运算。
步骤4：Reve,ub(Λ)的梯度是一个对角矩阵，可以利用统计信道状态信息准确计算该矩阵中的对角线元素：
Figure GDA0002443513730000075
将Reve,ub(Λ)的梯度计算结果带入优化目标，利用内点法或其他凸优化方法求解(11)中的凸优化问题。
步骤5：根据得到的解依照公式(10)计算新的安全多播速率下界确定性等同
Figure GDA0002443513730000076
步骤6：比较新的安全多播速率下界确定性等同
Figure GDA0002443513730000077
和上一次迭代的计算得到的结果
Figure GDA0002443513730000078
如果两者之间的差值小于等于预先设定的阈值ε1则迭代结束，此时的Λ即优化问题的解。否则令i＝i+1，回到步骤2。
在各用户移动过程中，随着基站与用户之间的波束域统计信道状态信息的变化，基站侧根据更新后的统计信道状态信息重复前述步骤，进行波束域多播功率分配。从而实现多播传输过程的动态更新。波束域统计信道状态信息的变化与具体应用场景有关，其典型统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的统计信道状态信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
应当指出，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在基站与用户组进行多播通信的场景下，配置大规模天线阵列的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；
(2)基站利用多播用户组中的合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建并求解波束域多播功率分配优化问题对发送信号进行功率分配；所述波束域多播功率分配优化问题表示为：
Figure FDA0002443513720000011
s.t.tr{Λ}≤P
Λ≥0
其中，
Figure FDA0002443513720000012
为基站多播速率，
Figure FDA0002443513720000013
为窃听用户速率上界，Hk和Heve分别为第k个合法用户和非法窃听用户的波束域信道矩阵，Λ为发送信号的协方差矩阵，I为单位矩阵，P为基站总功率约束，
Figure FDA0002443513720000014
表示期望运算，det表示取矩阵的行列式，tr(·)表示计算矩阵的迹；
波束域多播功率分配优化问题的求解包括基于凹凸过程(CCCP)迭代算法优化窃听用户速率上界，以及基于确定性等同方法优化多播用户速率；其中，基于CCCP迭代算法优化窃听用户速率上界，具体包括：
(a)将安全多播速率下界表达式中的窃听用户速率上界进行一阶泰勒级数展开近似，将非凸的问题转化为关于波束域功率分配的凸优化问题，将优化问题转变为求解下述问题：
Figure FDA0002443513720000015
s.t.tr{Λ}≤P
Λ≥0
泰勒级数展开过程中需要计算窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数
Figure FDA0002443513720000016
Figure FDA0002443513720000017
是一个对角矩阵，对角元素
Figure FDA0002443513720000021
其中上标i为迭代次数，M为基站发射天线根数，Ne为非法窃听用户接收天线根数，
Figure FDA0002443513720000022
(b)利用凸优化方法得到问题的解，并根据得到的解更新安全多播速率中窃听用户速率上界关于波束域功率分配矩阵的导数，将该导数值代入优化目标形成新的凸优化问题并再次求解；重复该凸优化问题求解-更新导数值-导数值带入优化目标产生新的凸优化问题-凸优化问题求解的过程，直至安全多播速率收敛；
基于确定性等同方法优化多播用户速率，具体包括：
(a)根据大维随机矩阵理论，利用波束域统计信道状态信息迭代计算确定性等同辅助变量Γk、
Figure FDA0002443513720000023
和
Figure FDA0002443513720000024
直至收敛；其中：
Figure FDA0002443513720000025
Figure FDA0002443513720000026
Bk(X)和Ck(X)为对角矩阵，[Bk(X)]j,j＝tr{diag{[Ωk]:,j}X}，
Figure FDA0002443513720000027
Figure FDA0002443513720000028
上标i表示迭代次数，下标j表示矩阵元素行列号，⊙表示矩阵Hadamard乘积；
(b)利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算安全多播速率下界中的多播用户速率的确定性等同表达；
(c)将多播用户速率的确定性等同表达带入波束域多播功率分配的优化问题中，避免高复杂度的期望运算；
(3)在各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：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多播用户组中的用户进行安全多播通信，该安全多播通信的过程在波束域上实施。
3.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：所述波束域统计信道状态信息由基站根据接收到的合法用户和非法窃听用户发送的上行探测信号估计得出。
4.根据权利要求1所述的大规模MIMO波束域安全多播无线传输方法，其特征在于：在各用户动态移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息变化，基站侧动态实施波束域功率分配，多播过程动态更新；波束域统计信道状态信息的变化与具体应用场景有关，统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍。
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