一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法技术

本发明专利技术提出了一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法。该方法中，小区基站配置大规模天线阵列，利用统一的酉变换矩阵对整个小区实现大规模波束覆盖。基站利用小区内合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息，向信道注入人工噪声降低窃听用户的解码能力，并依据最大化系统可达遍历安全和速率下界为准则对发送给各合法用户的信号和发送给窃听用户的人工噪声进行统计预编码设计。在各合法用户和窃听用户移动过程中，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新统计预编码结果。本发明专利技术解决了基站侧仅知道统计信道信息的波束域安全传输信号设计问题，降低了实现复杂度，同时人工噪声的引入提升了系统传输的安全性。

A Large-scale MIMO Safety Statistical Precoding Method Assisted by Artificial Noise

【技术实现步骤摘要】
一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法
本专利技术属于通信领域，具体涉及一种在小区内存在窃听用户的通信场景下利用人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法。
技术介绍
由于无线传输媒介的广播特性，安全性一直是无线传输中最为关键的问题。传统的网络层加密方法建立在一定的运算复杂度之上，会对传输系统造成额外开销并且容易受到攻击。物理层安全传输设计是利用无线信道属性对安全传输进行设计，确保传输数据的机密性。物理层安全传输设计作为对网络层加密的补充已经引起了广泛关注。大规模多入多出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)是在基站侧使用大量天线同时服务多个用户，可以大幅提高无线通信系统的频谱效率和功率效率，同时提高无线传输的安全性。在现有的大规模MIMO安全传输系统中，基站往往需要获取瞬时信道信息来对发送信号进行传输设计，然而在复杂多变的无线通信环境中获取瞬时信道信息会带来极大的系统开销。与瞬时信道信息相比，统计信道信息具有随时间慢变的特点，更加利于基站及时准确获取。现有的一些利用统计信道信息进行安全传输的方法尽管可以降低系统开销，但是在窃听用户和小区服务用户波束高度重合时的场景下难以有良好的安全通信效果。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，通过向信道中注入人工噪声以降低窃听用户的解码能力，提升系统安全性，并采用低复杂度的算法优化预编码设计，逼近最优传输性能。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，包括以下步骤：(1)基站配置大规模天线阵列，利用统一的酉变换对小区用户实现大规模波束覆盖；(2)通信过程中基站向信道注入人工噪声，利用小区内合法用户和窃听用户的统计信道信息对发送的信号和人工噪声进行统计预编码设计，其中统计预编码设计以最大化系统可达遍历安全和速率下界为准则，在满足基站功率约束条件下获得基站发送给各合法用户的信号的协方差矩阵以及人工噪声的协方差矩阵；(3)在各合法用户和窃听用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新统计预编码结果。进一步地，所述步骤(1)中基站配置大规模天线阵列，并使用相同的酉变换生成覆盖整个小区的大规模波束集合，实现对小区用户的大规模波束覆盖；当天线阵列结构确定时，所述的酉变换矩阵也随之确定，且不随着用户位置及信道状态而改变。进一步地，所述步骤(2)中统计信道信息为波束域能量耦合矩阵，通过上行探测信号获得。进一步地，所述步骤(2)中的发送的信号和人工噪声同时被合法用户和窃听用户接收，合法用户k和窃听用户收到的信号分别为：其中，Gk是基站到用户k的波束域信道矩阵，维度为Nk×M，Ge是基站到窃听用户的波束域信道矩阵，维度为Ne×M，xk和xAN分别为基站发送给用户k的信号和基站发送的人工噪声，nk和ne为零均值单位方差白噪声，K为小区合法用户数，Nk、Ne和M分别为用户k接收天线数、窃听用户接收天线数和基站发射天线数。用户k的遍历可达传输速率为：其中为期望运算，det表示取矩阵的行列式运算，log表示自然对数，表示Nk×Nk单位矩阵，Λi为基站发送给用户i的信号xi的协方差矩阵ΛAN为人工噪声xAN的协方差矩阵窃听用户对于用户k的窃听速率为：用户k的可达遍历安全传输速率和系统可达遍历安全和速率Rsec分别为：其中[x]+表示取0和x中的较大数。进一步地，所述步骤(2)中系统可达遍历安全和速率下界其中：进一步地，所述步骤(2)中基站利用小区内合法用户和窃听用户的统计信道信息以最大化系统可达遍历安全和速率下界为准则对发送的信号和人工噪声进行统计预编码设计所基于的优化问题表示为：ΛAN≥0,Λk≥0,k＝1,...,K其中，P为基站功率约束，tr()表示计算矩阵的迹，0表示矩阵非负定。进一步地，所述优化问题使用基于凹凸过程和确定性等同的迭代算法求解，具体包括：(a)将优化目标函数重新组合表示为：其中，(b)通过小区合法用户和窃听用户的波束域统计信道信息计算用户可达遍历速率第一项fk的确定性等同其中，Ξk(X)，Ξe(X)，Πk(X)和Πe(X)均为生成对角矩阵的运算，对角线元素分别为：(c)计算用户k可达遍历速率第二项gk分别关于各用户设计信号协方差矩阵Λ1,...,ΛK和人工噪声协方差矩阵ΛAN的导数；(d)迭代求解如下优化问题直至系统用户可达遍历安全和速率下界的确定性等同收敛：ΛAN≥0,Λk≥0,k＝1,...K其中，有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.基站与小区内各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升。2.利用小区内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统计预编码，所述统计信道信息可以通过稀疏的上行探测信号获得，且该安全传输方式适用于时分双工(TDD)和频分双工(FDD)系统。3.该专利技术在安全传输的过程中向信道注入人工噪声，并对发送的人工噪声进行设计，降低窃听用户解码能力，提高传输安全性。4.利用凹凸过程和确定性等同原理求解预编码设计的优化问题，具有较低的运算复杂度，并且可以逼近最优传输性能。附图说明图1为人工噪声辅助的大规模MIMO安全传输方法流程图。图2为人工噪声辅助的大规模MIMO安全传输系统示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。如图1所示，本专利技术实施例公开的一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，主要包括以下步骤：(1)基站配置大规模天线阵列，利用统一的酉变换对小区用户实现大规模波束覆盖。当天线阵列拓扑结构确定时，酉变换矩阵也随之确定。当基站配置大规模均匀线阵，天线单元间距为半个波长的量级时，酉变换矩阵为离散傅里叶变换矩阵，并且不随着用户位置及信道状态而改变。基站利用该酉变换矩阵生成大规模波束覆盖整个小区，实现空间资源的波束域划分，在生成的波束上为小区内合法用户提供安全通信服务；(2)通信过程中基站向信道中注入人工噪声，降低小区内窃听用户的解码能力。基站利用小区内合法用户和窃听用户的统计信道信息，通过构建并求解优化问题对发送的信号和人工噪声进行统计预编码设计。(3)在各合法用户和窃听用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新统计预编码结果。下面以图2所示人工噪声辅助的大规模MIMO安全传输系统为例，小区配置有一个基站，基站侧配置M(M为102至103数量级)根发射天线的大规模均匀线阵，天线间隔为半波长。小区中有K个合法用户，每个用户配置Nk根接收天线。同时，小区中还存在一个非法窃听用户，配置有Ne根接收天线。该场景中基站通过波束成形将发送给各合法用户的信号和人工噪声从空间域变换到波束域，在波束域向各用户发送信号。考虑窃听用户伪装成小区中的合法用户，故在信号探测阶段，合法用户和窃听用户都发送上行稀疏探测信号，基站根据接收到的上行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，即和其中G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)基站配置大规模天线阵列，利用统一的酉变换对小区用户实现大规模波束覆盖；(2)通信过程中基站向信道注入人工噪声，利用小区内合法用户和窃听用户的统计信道信息对发送的信号和人工噪声进行统计预编码设计，其中统计预编码设计以最大化系统可达遍历安全和速率下界为准则，在满足基站功率约束条件下获得基站发送给各合法用户的信号的协方差矩阵以及人工噪声的协方差矩阵；(3)在各合法用户和窃听用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新统计预编码结果。

【技术特征摘要】
1.一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)基站配置大规模天线阵列，利用统一的酉变换对小区用户实现大规模波束覆盖；(2)通信过程中基站向信道注入人工噪声，利用小区内合法用户和窃听用户的统计信道信息对发送的信号和人工噪声进行统计预编码设计，其中统计预编码设计以最大化系统可达遍历安全和速率下界为准则，在满足基站功率约束条件下获得基站发送给各合法用户的信号的协方差矩阵以及人工噪声的协方差矩阵；(3)在各合法用户和窃听用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新统计预编码结果。2.根据权利要求1所述的一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，其特征在于：所述步骤(1)中基站配置大规模天线阵列，并使用相同的酉变换生成覆盖整个小区的大规模波束集合，实现对小区用户的大规模波束覆盖；当天线阵列结构确定时，所述的酉变换矩阵也随之确定，且不随着用户位置及信道状态而改变。3.根据权利要求1所述的一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，其特征在于：所述步骤(2)中统计信道信息为波束域能量耦合矩阵，通过上行探测信号获得。4.根据权利要求1所述的一种人工噪声辅助的大规模MIMO安全统计预编码方法，其特征在于：所述步骤(2)中的发送的信号和人工噪声同时被合法用户和窃听用户接收，合法用户k和窃听用户收到的信号分别为：其中，Gk是基站到用户k的波束域信道矩阵，维度为Nk×M，Ge是基站到窃听用户的波束域信道矩阵，维度为Ne×M，xk和xAN分别为基站发送给用户k的信号和基站发送的人工噪声，nk和ne为零均值单位方差白噪声，K为小区合法用户数，Nk、Ne和M分别为用户k接收天线数、窃听用户接收天线数和基站发射天线数。5.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤力，陈旭，王闻今，吴文谦，熊佳媛，徐益，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32