CN103731188B

CN103731188B - 波束成形方法

Info

Publication number: CN103731188B
Application number: CN201310752170.0A
Authority: CN
Inventors: 高飞飞; 朱丰超; 邹红星
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103731188A

Abstract

本发明公开了一种波束成形方法，能够同时进行信息波束成形和干扰波束成形。所述方法包括：基站获得信道信息，所述信道信息包括所述基站到终端的信道信息、所述基站到偷听者的信道信息、及所述终端到所述偷听者的信道信息；所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形。本实施例将原来的复杂非凸优化问题转化为可以被高效求解的凸的优化问题，而且这些凸问题可以得到闭式解，从而使基站能够快速获得信息波束成形和干扰波束成形的赋值向量，使得基站可以对安全接收吞吐量和发送吞吐量进行快速优化，从而使得全双工基站具有更高的信息安全。

Description

波束成形方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种波束成形方法。

背景技术

随着移动通信的普及以及移动互联网业务的迅猛发展，网络的开放性以及无线传输的特性，使安全问题将成为整个移动通信系统的核心问题之一。波束成形技术成为实现通信系统物理层安全的主要技术之一。其利用多天线的波束成形技术进行信息的安全传输，其中一个问题是如何使得偷听者获得的信号能量最小，同时使得合法接收着获得的信号能量最大。

随着波束成形技术的发展，如何进行信息波束成形和干扰波束成形是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种波束成形方法，能够同时进行信息波束成形和干扰波束成形。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种波束成形方法，包括：

基站获得信道信息，所述信道信息包括所述基站到终端的信道信息、所述基站到偷听者的信道信息、及所述终端到所述偷听者的信道信息；

所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形。

可选的，所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形包括：

所述基站确定波束成形的赋值向量；

所述基站根据所述波束成形的赋值向量及所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形。

可选的，所述基站确定波束成形的赋值向量之后，还包括：

所述基站依据根据计算能力确定波束成形算法的迭代次数；确定安全接收吞吐量阈值和发送吞吐量阈值；

所述基站根据所述终端到所述偷听者的信道参数已知或未知确定对应的优化算法；使得所述终端到所述偷听者的信道参数已知时，最大化所述基站的发送吞吐量，同时保证所述基站的安全接收吞吐量高于所述安全接收吞吐量阈值；所述终端到所述偷听者的信道参数未知的情况下，最大化所述基站的安全接收吞吐量，同时保证所述基站的发送吞吐量高于所述发送吞吐量阈值；

所述基站根据确定的计算方法及所述赋值向量更新所述波束成形赋值向量。

可选的，还包括：

根据确定的波束成形算法的迭代次数，在每一次计算中，确定波束成形赋值向量，在所有计算结果中选择最优的波束成形赋值向量。

可选的，当所述终端到所述偷听者信道已知时，所述基站最大化所述基站的发送吞吐量，同时保证所述基站的安全接收吞吐量高于所述安全接收吞吐量阈值。

可选的，当所述终端到所述偷听者信道未知时，所述基站最大化所述基站的安全接收吞吐量，同时保证所述基站的发送吞吐量高于所述发送吞吐量阈值。

可选的，所述波束成形的赋值向量包括所述信息波束成形的赋值向量及所述干扰波束成形的赋值向量，所述信息波束成形的赋值向量，所述干扰波束成形的赋值向量的更新算法为：

在每一次迭代计算中，求解信息波束成形的赋值向量和干扰波束成形的赋值向量。

可选的，所述基站最大化所述基站的发送吞吐量时，所述基站发射功率小于预设值，且所述基站的安全接收吞吐量大于预设值。

可选的，所述基站最大化所述基站的安全接收吞吐量时，所述基站发射功率小于预设值，且所述基站的信息发送吞吐量大于预设值。

基于上述方案，本发明实施例的波束成形方法，基站获得信道信息，所述信道信息包括所述基站到终端的信道信息、所述基站到偷听者的信道信息、及所述终端到所述偷听者的信道信息，所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形，从而实现同时进行信息波束成形和干扰波束成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种波束成形方法的流程图；

图2为本发明实施例2提供的基于全双工基站模型的示意图；

图3为本发明实施例3提供的信息波束成形和干扰波束成形设计算法的流程图；

图4为本发明实施例3提供的基于波束成形算法进行通信的流程示意图；

图5为本发明实施例3提供的波束成形算法的性能仿真图之一；

图6为本发明实施例3提供的波束成形算法的性能仿真图之二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种波束成形方法，包括：

11、基站获得信道信息，所述信道信息包括所述基站到终端的信道信息、所述基站到偷听者的信道信息、及所述终端到所述偷听者的信道信息。

12、所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形。

所述基站确定波束成形的赋值向量；

可选的，所述基站确定波束成形的赋值向量之后，还包括：

可选的，还包括：

本实施例的方法，基站获得信道信息，所述信道信息包括所述基站到终端的信道信息、所述基站到偷听者的信道信息、及所述终端到所述偷听者的信道信息，所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形，从而实现同时进行信息波束成形和干扰波束成形。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种基于全双工基站模型，其中全双工基站（BS）接收来自某发射端（Tx）的保密信息，同时向某个接收端用户（Rx）发送非保密数据。由于偷听者（Ev）的存在，全双工基站需要兼顾接收信息的安全和发送信息的吞吐量。通过在基站上分别设计信息波束成形和干扰波束成形的权值向量，使得基站一方面能够有效提升接收信息的安全，另一方面保证发送信息的吞吐量。

本实施例通过波束成形技术实现同时的接收信息安全和发送信息吞吐量的优化，包括步骤：

步骤（1）建立基于全双工基站的无线电网络系统：基站与偷听者之间的信道为基站与合法接收端的信道为基站与保密信息发送者的信道为安全信息发送端与合法信息接收端的信道为安全信息发送端与偷听者的信道为安全信息发射端的发射功率限制为P_t；基站发射功率限制为P；

步骤（2）依据基站的计算能力设置波束成形算法的迭代次数n=100,可得一维搜索步长为1/n=0.01；设置基站安全接收吞吐量阈值和发送吞吐量阈值r。

步骤（3）根据保密信息发送端到偷听者的信道参数已知或未知的情况选择不同的优化算法，计算波束成形权值向量的权值并存储计算结果。

1）、若已知，在功率分配系数为θ=0∶0.01∶1情况下，信息波束成形赋值向量的计算表达式为：

干扰波束成形的计算表达式为：

其中

所需的其它变量分别计算为：

2）、若未知，在功率分配系数为θ=0∶0.01∶1情况下，信息波束成形赋值向量的计算表达式为：

而干扰波束成形赋值向量可以计算为：

其中的和可以计算为：

a）、如果

则

b)、如果

则

其中S^*=s^*s^*H。

步骤（4）从全部的迭代计算结果中选择最优的作为波束成形权值向量，完成计算并输出到基站。

选择最优的θ所对应的波束成形赋值向量，在若已知的情况下使得

最大；在

最大，其中S^*=s^*s^*H，W^*=w^*w^*H。

本实施例的方法通过将无线电网络收发端用户速率的表达式进行巧妙转化表达，提出了一种用于求解基站信息波束成形和干扰波束成形赋值向量的一维搜索算法，该方法将原来的复杂非凸优化问题转化为可以被高效求解的凸的优化问题，而且这些凸问题可以得到闭式解，从而使基站能够快速获得信息波束成形和干扰波束成形的赋值向量，使得基站可以对安全接收吞吐量和发送吞吐量进行快速优化，从而使得全双工基站具有更高的信息安全。

实施例3

如图2给出的网络信号结构图，其中的无线电网络包括一个基站、一个涉密信息发送端、一个非涉密信息接收端和一个偷听者，其中全双工基站具备多天线：接收和发送天线的个数分别设置为M，N；所有节点均工作于同一频段；全双工基站同时接收信息、发送信息以及进行干扰，基本过程为：在一个时隙里基站接收来自发射端的保密信息，同时向合法接收端发送非保密信息，同时向偷听者实施干扰；基站与偷听者之间的信道为基站与合法接收端的信道为基站与保密信息发送者的信道为安全信息发送端与合法信息接收端的信道为安全信息发送端与偷听者的信道为安全信息发射端的发射功率限制为P_t；基站发射功率限制为P；全双工基站针对合法接收端和非法接收端的信息波束成形的赋值向量和干扰波束成形的赋值向量分别表示为s和w。

基站发送的信号为

x_b=sv_r+wv_e

其中v_r和v_e分别为信息和随机噪声；s和w分别为信息波束成形赋值向量和干扰波束成形赋值向量。通过射频干扰消除技术，基站发送的干扰对基站的接收天线的影响可以被减掉，所以基站接收到的涉密信号可以表示为：

其中v_t为涉密信息发送端发送的信号，z_b为基站接收天线噪声。

非涉密接收端接收到的信号为：

其中z_r为非涉密接收端天线噪声。

由于基站发送的非涉密信息可以被偷听者解码并减掉，所以偷听者接收到信号为：

其中z_e为偷听者天线噪声。

基于以上系统信号模型，我们给出设计全双工基站的信息波束成形和干扰波束成形的赋值向量的具体实施方法。波束成形的目标是在满足基站发射功率的约束下最大化安全接收吞吐量和发射吞吐量，具体的实施步骤如下：

步骤（1），建立上述基于全双工基站的无线电网络该系统中包括基站、保密信息发射端、非保密信息接收端和违法接收端；全双工基站具备接收多天线和发射多天线系统，其他端点均具备单天线；

步骤（2），设置所需初始参数：迭代次数、基站安全接收吞吐量阈值和发送吞吐量阈值；

迭代次数设置即为搜索步长设置。例如：选择搜索步长为0.01，则迭代次数为100，即需要100次计算得到最优的波束成形赋值向量。基站安全接收吞吐量阈值和发送吞吐量阈值是根据基站设计要求进行设置，阈值的单位为（b/s/Hz）。

步骤（3），根据基站获得的信道参数选择优化算法：

所述步骤（3）根据安全信息发送端与偷听者的信道为的情况选择不同优化算法是指：

A、在已知的情况下选择最大化基站发送吞吐量，而保证安全接收吞吐量大于阈值：

其中S和W分别表示信息波束成形矩阵和干扰波束成形矩阵；为基站安全接收吞吐量阈值；R为安全接收吞吐量，计算公式表示为：

引入一个功率分配辅助变量θ，上述复杂优化问题可以首先转换为以下问题：

上述优化问题显然为非凸的复杂优化问题，无法进行高效求解。然而我们可以将其转化为下列问题

其中f₁(θ)定义为

而f₂(1-θ)定义为

根据步骤（1）中的迭代次数选择不同的θ对上述问题进行求解。具体的信息波束成形赋值向量可以计算为：

而干扰波束成形赋值向量可以计算为：

其中

所需的其它变量分别计算为：

B、在未知的情况下选择最大化基站安全接收吞吐量，而保证发送吞吐量大于阈值：

其中r为发送吞吐量阈值。

同样，引入一个功率分配辅助变量θ，上述复杂优化问题可以首先转换为以下问题：

上述问题显然也是非凸的复杂优化问题，它的最优解和下列问题等同：

再将其转化为下列等同的凸优化问题：

其中F1₍θ)定义为

而F₂(1-θ)定义为

而干扰波束成形赋值向量可以计算为：

其中的和可以计算为：

a、如果

则

b、如果

则

其中S^*=s^*s^*H；

步骤（4），根据步骤（2）中设置的迭代次数选择θ的搜索步长，比如迭代次数选择为100，则θ的搜索范围为θ=0∶0.01∶1，根据不同的θ进行步骤三的计算，选择最优的θ使得目标函数

最大，或者使得目标函数

最大。并输出最优的信息波束成形赋值向量和干扰波束成形赋值向量。

步骤（5），基站进行波束成形，并进行基于波束成形的数据传输。

由图3为本实施例提供的信息波束成形和干扰波束成形设计算法的流程图，和图4为利用基于本实施例提供的波束成形算法进行通信的流程示意图；图5和图6为应用本实施例的波束成形算法的性能仿真实验结果，由图可知，本实施例的算法可以兼顾全双工基站的安全接收吞吐量和发送吞吐量，有效提高基站的反窃听能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于相关领域的技术人员来说，本发明的实施及技术细节可以有各种更改和变化。凡在本发明的所提方法思想及核心原理范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码。

计算机可读程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为单独的软件包、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。也应该注意，在某些替代实施方案中，在流程图中各步骤、或框图中各块所注明的功能可能不按图中注明的顺序发生。例如，依赖于所涉及的功能，接连示出的两个步骤、或两个块实际上可能被大致同时执行，或者这些块有时候可能被以相反顺序执行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种波束成形方法，其特征在于，包括：

所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形；

其中,所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形包括：

根据保密信息发送端到偷听者的信道参数已知或未知的情况选择不同的优化算法，计算波束成形权值向量的权值并存储计算结果；

1)、若已知，在功率分配系数为θ＝0∶0.01∶1情况下，信息波束成形赋值向量的计算表达式为：

干扰波束成形的计算表达式为：

其中

所需的其它变量分别计算为：

2)、若未知，在功率分配系数为θ＝0∶0.01∶1情况下，信息波束成形赋值向量的计算表达式为：

而干扰波束成形赋值向量计算为：

其中的和计算为：

a)、如果

则

b)、如果

则

其中S^*＝s^*s^*H；

基站与偷听者之间的信道为基站与合法接收端的信道为基站与保密信息发送者的信道为安全信息发送端与合法信息接收端的信道为安全信息发送端与偷听者的信道为安全信息发射端的发射功率限制为P_t；基站发射功率限制为P；基站安全接收吞吐量阈值为

从全部的迭代计算结果中选择最优的作为波束成形权值向量，完成计算并输出到基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据所述信道信息进行信息波束成形和干扰波束成形包括：

所述基站确定波束成形的赋值向量；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基站确定波束成形的赋值向量之后，还包括：

所述基站根据计算能力确定波束成形算法的迭代次数；确定安全接收吞吐量阈值和发送吞吐量阈值；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述波束成形的赋值向量包括所述信息波束成形的赋值向量及所述干扰波束成形的赋值向量，所述信息波束成形的赋值向量，所述干扰波束成形的赋值向量的更新算法为：

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基站最大化所述基站的发送吞吐量时，所述基站发射功率小于预设值，且所述基站的安全接收吞吐量大于预设值。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基站最大化所述基站的安全接收吞吐量时，所述基站发射功率小于预设值，且所述基站的信息发送吞吐量大于预设值。