CN106160819A - 一种信号发送方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号发送方法和设备，包括：基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并确定合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输保密信号的信道的第一信道衰落参数；根据方向矢量参数和第一信道衰落参数，计算发射保密信号的第一信号波束形成器参数，根据方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并计算发射人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，利用第一信号波束形成器参数和第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，发射处理后的信号，基站发送给合法用户设备的保密信号在非目标方向上能量泄露最小，且发射的人工噪声信号集中于保密信号泄露风险较高的区域内，降低对其他方向上的合法用户设备接收信号的干扰。

Description

一种信号发送方法和设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号发送方法和设备。

背景技术

随着无线通信网络的发展，由于无线物理层媒质的开放和电磁信号采用广播方式传输，使得在无线通信网络中传输的数据比在有线网络中传输的数据更容易被第三方窃取，因此，如何提升无线通信网络中数据传输的可靠性和安全性成为亟需解决的技术问题。

传统的保证无线通信网络中数据传输安全性的方式可以是加强无线通信网络系统高层(例如：无线链路层或者应用层)数据传输的安全性，例如：基于密码学理论的数据加密方法、各种安全协议等。但是，物理层传输的安全性成为制约整个无线通信网络系统安全性的关键，如何保证物理层数据传输的安全性成为一个重要的研究课题。

人工噪声(英文：artificial noise)技术是应用于多天线系统的一种提升物理层数据传输安全性的方法。具体地，在数据传输的主信道上发射有用信道，保证合法接收机正常接收该有用信号，并且同时在与主信道正交的方向上发射人为设置的无用信号，尽可能地干扰其他方向上存在的非法接收机，以此提升物理层数据传输的安全性。

然而，目前人工噪声技术的研究大多集中在单小区场景下。当将人工噪声技术应用与蜂窝无线通信网络的多个小区场景时，发射的人工噪声不仅在干扰非法接收机，而且也会对与合法接收机频率相同的其他合法接收机产生干扰，这样将会影响到其他用户，使得蜂窝无线通信网络的性能下降。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种信号发送方法和设备，用于解决目前的人工噪声技术对其他非目标的合法接收机接收到的信号产生信号干扰的问题。

第一方面，提供了一种信号发送方法，包括：

基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

结合第一方面可能的实施方式，在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，包括：

当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

所述基站根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

结合第一方面可能的实施方式，在第一方面的第二种可能的实施方式中，所述基站根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，包括：

当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

所述基站在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

所述基站根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

结合第一方面可能的实施方式，或者结合第一方面的第一种可能的实施方式，或者结合第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第三种可能的实施方式中，所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

所述基站根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

结合第一方面可能的实施方式，或者结合第一方面的第一种可能的实施方式，或者结合第一方面的第二种可能的实施方式，或者结合第一方面的第三种可能的实施方式，在第一方面的第四种可能的实施方式中，所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，所述基站根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

所述基站根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

所述基站根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

结合第一方面可能的实施方式，或者结合第一方面的第一种可能的实施方式，或者结合第一方面的第二种可能的实施方式，或者结合第一方面的第三种可能的实施方式，或者结合第一方面的第四种可能的实施方式，在第一方面的第五种可能的实施方式中，所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，包括：

所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

第二方面，提供了一种信号发送设备，包括：

接收单元，用于接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

计算单元，用于根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

确定单元，用于根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域；

所述计算单元，用于根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

发送单元，用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

结合第二方面可能的实施方式，在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述计算单元，具体用于当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

结合第二方面可能的实施方式，在第二方面的第二种可能的实施方式中，所述计算单元，具体用于当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

结合第二方面可能的实施方式，或者结合第二方面的第一种可能的实施方式，或者结合第二方面的第二种可能的实施方式，在第二方面的第三种可能的实施方式中，所述确定单元，具体用于根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

结合第二方面可能的实施方式，或者结合第二方面的第一种可能的实施方式，或者结合第二方面的第二种可能的实施方式，或者结合第二方面的第三种可能的实施方式，在第二方面的第四种可能的实施方式中，所述确定单元，具体用于若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

结合第二方面可能的实施方式，或者结合第二方面的第一种可能的实施方式，或者结合第二方面的第二种可能的实施方式，或者结合第二方面的第三种可能的实施方式，或者结合第二方面的第四种可能的实施方式，在第二方面的第五种可能的实施方式中，所述发送单元，具体用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

第三方面，提供了一种信号发送设备，包括：

信号接收器，用于接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

处理器，用于根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

信号发射器，用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

结合第三方面可能的实施方式，在第三方面的第一种可能的实施方式中，所述处理器根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，具体包括：

当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

结合第三方面可能的实施方式，在第三方面的第二种可能的实施方式中，所述处理器根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，具体包括：

当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

结合第三方面可能的实施方式，或者结合第三方面的第一种可能的实施方式，或者结合第三方面的第二种可能的实施方式，在第三方面的第三种可能的实施方式中，所述处理器根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，具体包括：

所述根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

结合第三方面可能的实施方式，或者结合第三方面的第一种可能的实施方式，或者结合第三方面的第二种可能的实施方式，或者结合第三方面的第三种可能的实施方式，在第三方面的第四种可能的实施方式中，所述处理器根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

结合第三方面可能的实施方式，或者结合第三方面的第一种可能的实施方式，或者结合第三方面的第二种可能的实施方式，或者结合第三方面的第三种可能的实施方式，或者结合第三方面的第四种可能的实施方式，在第三方面的第五种可能的实施方式中，所述信号发射器利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，包括：

利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

本发明有益效果如下：

本发明实施例基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。这样，基站发射给合法用户设备的保密信号在非目标方向上能量泄露较小，且基站在确定的人工噪声信号的发射区域内发射给非法用户设备的人工噪声信号，使得人工噪声信号集中于保密信号泄露风险较高的区域内，以降低对其他方向上的合法用户设备接收信号的干扰。

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要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种信号发送方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的应用场景示意图；

图3(a)和图3(b)为保密信号和人工噪声信号的波束图；

图4为合法用户设备和非法用户设备接收信号的信干燥比变化图；

图5为本发明实施例中算法的收敛速度示意图；

图6为本发明实施例提供的一种信号发送设备的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种信号发送设备的结构示意图。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明实施例提供了一种信号发送的方法和设备，基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。这样，基站发射给合法用户设备的保密信号在非目标方向上能量泄露较小，且基站在确定的人工噪声信号的发射区域内发射给非法用户设备的人工噪声信号，使得人工噪声信号集中于保密信号泄露风险较高的区域内，以降低对其他方向上的合法用户设备接收信号的干扰。

下面结合说明书附图对本发明各个实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种信号发送方法的流程示意图。所述方法可以如下所述。

步骤101：基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数。

在步骤101中，基站通过接收合法用户设备发送的上行导频信号估计得到合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数。

这里需要说明的是，上行导频信号只有合法用户设备才会发送。

步骤102：所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数。

其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值。

需要说明的是，这里第一阈值的设定与信号发射功率有关联，可以是能量泄露的最小值，本发明实施例对于第一阈值的大小值或者形式和第二阈值的大小值或者形式不限定。

在步骤102中，为了保证保密信号在非目标方向上能量泄露小于第一阈值，且使所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值，通过最小化信号波束形成器的旁瓣功率的方法，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数。

具体地，当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式；

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1.$

其中，所述第一阈值可以为

可选地，利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值可以转化为如下公式：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_1}{\min }& {\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}={\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1\end{array}.$

即利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露的最小值等于第一阈值。

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式；

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B.$

所述基站 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}.$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

具体地，当取等号时，得到最优解

此外，对乘以e^jθ， $\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_1}{\min }& {\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}={\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1\end{array}$ 等价为 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B$ 等价为 ${\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}.$

通过变形得到其对应的拉格朗日函数是：

$L({\mathrm{\ω}}_1,\mathrm{\λ})={\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1+\mathrm{\λ}({\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}).$

在利用KKT(英文：Karush-Kuhn-Tucker)条件求解，可以得到： $\frac{\∂L({\mathrm{\ω}}_1,\mathrm{\λ})}{\∂{\mathrm{\ω}}_1^{*}}=P{\mathrm{\ω}}_1+\mathrm{\λa}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0$ 和 $\frac{\∂L({\mathrm{\ω}}_1,\mathrm{\λ})}{\∂\mathrm{\λ}}={\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)-\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}=0.$

由上面两个式子可以得到：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}.$

可选地，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，还可以通过以下方式计算得到：

即采用最小化最大保密信号泄漏功率设计准则，即得到和其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

通过引入松弛变量t，将得到的和进行变形，得到和θ∈Ω。求解即可得到ω₁。

可选地，当接收保密信号的合法用户设备的个数为多个时，每一个合法用户设备接收一个保密信号。针对每一个待发送的保密信号，都可以按照上述的方式确定发送每一个保密信号的第一信号波束形成器参数，使得利用第一信号波束形成器参数发送的每一个保密信号都能满足保密信号的能量泄露最小化且使得所述合法用户设备接收到的该所述保密信号的信干燥比大于第二阈值。

例如：第i个保密信号对应的第一信号波束形成器参数可以通过以下表达式计算得到： $\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_i}{\min }& {\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_i}{\left|{\mathrm{\ω}}_i^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}={\mathrm{\ω}}_i^{H}P{\mathrm{\ω}}_i\end{array}\\ {\left|{\mathrm{\α}}_i\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_i^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_{B,i}\\ {\mathrm{\ω}}_i^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_j\right)=0,j=\mathrm{1,2},\·\·\·,M,j\≠i\end{array}\right.,$ 其中，M为保密信号的个数。

在取等号时，计算得到第i个保密信号对应的第一信号波束形成器参数ω_i。

步骤103：所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域。

在步骤103中，为了在干扰潜在非法用户设备的同时尽可能降低人工噪声信号对其他合法用户设备造成的干扰，需要确定人工噪声信号的发射区域。

也就是说，人工噪声信号的发射区域应该为保密信号波束形成器旁瓣中信号强度较大的区域。

具体地，所述基站根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据确定的所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

可选的，所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，所述基站根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

所述基站根据发射人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

所述基站根据划分结果，为每一个人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

需要说明的是，将确定的所述发射区域进行划分可以是平均划分，也可以是根据需要进行划分，这里不做限定。

步骤104：所述基站根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数。

其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率。

在步骤104中，当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式；

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η}.$

需要说明的是，η优选取值为0。

所述基站在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于设定第三阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}.$

所述基站在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1.$

所述基站 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数。

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

具体地，由于非法用户设备接收的人工噪声信号的功率远大于加性高斯噪声，那么在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干噪比可以表示为

对得到的所述人工噪声信号的信干噪比作近似计算，得到 $\frac{{\left|\mathrm{\β}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{1+{\left|\mathrm{\β}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≈\frac{{\left|\mathrm{\β}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|\mathrm{\β}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}=\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}.$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 人工噪声信号的的第二信号波束形成器参数可以优化为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_0}{\min }& \underset{\mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN}}}{\max }\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\end{array},{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1.$

引入松弛变量m，得到：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_0,m}{\min }& m\end{array}\\ {\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1\\ \frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤m\end{array}\right.;$ 其中，θ∈Ω_AN。

在Ω_AN采样计算，得到：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_0,m}{\min }& m\end{array}\\ {\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1\\ \frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2}\≤m,{\mathrm{\θ}}_i\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN}},i=\mathrm{1,2},...,L\end{array}\right.,$ 其中，θ_i为采样得到的角度，L为采样点个数。

由于上述表达式中是非凸的，采用连续凸近似方法进行迭代进行求解。

由于需要近似的都是凸函数，其凸近似函数可以通过利用凸函数的一阶条件 $f\left(y\right)\≥f\left(x\right)+{(\▿f\left(x\right))}^T(y-x),$ 得到：

$2\mathrm{Re}\left[{\mathrm{\ω}}_{0,l-1}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right){\mathrm{\ω}}_0\right]-{\left|{\mathrm{\ω}}_{0,l-1}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2\≤{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2.$

进一步地，得到：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_0,m}{\min }& m\end{array}\\ {\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1\\ \frac{1}{m}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2\≤2\mathrm{Re}\left[{\mathrm{\ω}}_{0,l-1}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right){\mathrm{\ω}}_0\right]-{\left|{\mathrm{\ω}}_{0,l-1}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\right|}^2\\ {\mathrm{\θ}}_i\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN}},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,L\end{array}\right.$ ，其中，ω_0,l-1是迭代第l-1步的最优解。

可选地，选取任意一点ω_0,0作为初始点，可以根据：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0=P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1\end{array},$ 计算得到ω_0,0。

进一步地，在第l+1次迭代中，用第l次迭代的最优解ω_0,l来替换ω_0,l-1。重复上述计算，直至结果收敛或达到最大允许迭代次数，得到需要的ω₀。

可选的，若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，在确定每一个人工噪声信号的发射区域之后，根据上述方式计算得到每一个人工噪声信号的第二信号波束形成器参数。

具体地，得到的用于计算第i个人工噪声信号的第二信号波束形成器参数的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_{0,i}}{\min }& \underset{\mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN},i}}{\max }\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\end{array}\\ {\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_{0,i}^H{\mathrm{\ω}}_{0,i}\≤\frac{P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1}{M}\\ {\left|{\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\η}}_i,\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\∈\underset{j=1,j\≠i}{\overset{M}{\∪}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN},j}\end{array}\right.,$ 其中，M为人工噪声信号的个数。

在引入松弛变量m，得到： $\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\ω}}_{0,m}}{\min }& m\end{array}\\ \frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤m,\mathrm{\θ}\∈{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN},j}\\ {\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=0\\ {\mathrm{\ω}}_{0,i}^H{\mathrm{\ω}}_{0,i}\≤\frac{P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1}{M}\\ {\left|{\mathrm{\ω}}_{0,i}^{H}a\left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\η}}_i,\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}\∈\underset{j=1,j\≠i}{\overset{M}{\∪}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{AN},j}\end{array}\right..$

从而计算得到第i个人工噪声信号的第二信号波束形成器参数。

步骤105：所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

在步骤105中，所述基站利用所述第一信号波束形成器参数与所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

这样，合法用户设备接收到的信号为：非法用户接收到信号为： $y_E=\mathrm{\β}{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)x+\mathrm{\β}{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)n_a+n_E.$

其中，y_B为合法用户设备接收到的信号，y_E为非法用户接收到信号，α为合法用户设备接收信号对应信道的第一信道衰落参数，β为非法用户设备接收信号对应信道的第二信道衰落参数，n_a为人工噪声信号，n_B为所述合法用户设备自身产生的噪声信号，n_E为所述非法用户设备自身产生的噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

通过本发明实施例的方案，基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。这样，基站发射给合法用户设备的保密信号在非目标方向上能量泄露较小，且基站在确定的人工噪声信号的发射区域内发射给非法用户设备的人工噪声信号，使得人工噪声信号集中于保密信号泄露风险较高的区域内，以降低对其他方向上的合法用户设备接收信号的干扰。

基于上述实施例中记载的内容，本发明实施例提供的一种信号发送方法的流程示意图。本发明实施例的应用场景如图2所示：一个配有N根天线的基站，在该基站的信号覆盖范围之内，一个合法用户设备所处方向的角度为θ₁，其中，θ₁∈[θ_l,θ_h]。该合法用户设备对应的非法用户设备可能所处的方向角度为θ∈Ω＝[-π/2,θ_l]∪[θ_h,π/2]。

利用上述实施例中记载的方法，发射给合法用户设备的保密信号的波束形成器尽可能减少保密信号能量在非目标方向上的泄漏，发射的用于干扰非法用户设备接收保密信号的人工噪声信号的波束形成器的发射区域尽可能集中在保密信号泄露风险较高的方向上，以降低对其他方向上的合法用户设备的信号干扰。

利用上述实施例中记载的方法进行仿真，得到以下仿真结果：

图3(a)和图3(b)为保密信号和人工噪声信号的波束图。

其中，主瓣为10°，目标角度为100°。

图3(a)为极坐标表示的波束图，图3(b)为直角坐标表示的波束图。

图4为合法用户设备和非法用户设备接收信号的信干燥比变化图。

图5为本发明实施例中算法的收敛速度示意图。

也就是说，基站发送给合法用户设备的保密信号在非目标方向上能量泄露最小，且在确定的人工噪声的发射区域内发射给非法用户设备的人工噪声信号，使得人工噪声信号集中于保密信号泄露风险较高的区域内，以降低对其他方向上的合法用户设备接收信号的干扰。

图6为本发明实施例提供的一种信号发送设备的结构示意图。所述信号发送设备包括：接收单元61、计算单元62、确定单元63和发送单元64，其中：

接收单元61，用于接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

计算单元62，用于根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

确定单元63，用于根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域；

所述计算单元62，用于根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

发送单元64，用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

可选地，所述计算单元62，具体用于当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

可选地，所述计算单元62，具体用于当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

可选地，所述确定单元63，具体用于根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

可选地，所述确定单元63，具体用于若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

可选地，所述发送单元64，具体用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

需要说明的是，本发明实施例中所述的信号发送设备可以通过软件方式实现，也可以通过硬件方式实现，这里不做限定。

图7为本发明实施例提供的一种信号发送设备的结构示意图。所述信号发送设备可以采用通用计算机结构。所述信号发送设备包括：信号接收器71、处理器72和信号发射器73。其中：

信号接收器71，用于接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

处理器72，用于根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

信号发射器73，用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

具体地，所述处理器72根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，具体包括：

当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

具体地，所述处理器72根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，具体包括：

当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

具体地，所述处理器72根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，具体包括：

所述根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

具体地，所述处理器72根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

具体地，所述信号发射器73利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，包括：

利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

本领域的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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 (12)

1.一种信号发送方法，其特征在于，包括：

基站接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，并根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

2.如权利要求1所述的信号发送方法，其特征在于，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，包括：

当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${{\left|\mathrm{\α}\right|}^2|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

所述基站根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

3.如权利要求1所述的信号发送方法，其特征在于，所述基站根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，包括：

当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，所述基站根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

所述基站在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

所述基站根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},$ $\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

4.如权利要求1至3任一项所述的信号发送方法，其特征在于，所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

所述基站根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

5.如权利要求1至4任一项所述的信号发送方法，其特征在于，所述基站根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域，包括：

若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，所述基站根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

所述基站根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

所述基站根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

6.如权利要求1至5任一项所述的信号发送方法，其特征在于，所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，包括：

所述基站利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。

7.一种信号发送设备，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收合法用户设备发送的上行导频信号，并根据所述上行导频信号确定所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数和用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数；

计算单元，用于根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数，计算发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数，其中，所述第一信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述保密信号的能量泄露小于第一阈值，并且使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于第二阈值；

确定单元，用于根据所述方向矢量参数，确定人工噪声信号的发射区域；

所述计算单元，用于根据所述方向矢量参数，计算发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数，其中，所述第二信号波束形成器参数能够使得所述基站发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于预设门限值，且使得在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值，且使得所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于预设发射功率；

发送单元，用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，并发射处理后的信号。

8.如权利要求7所述的信号发送设备，其特征在于，

所述计算单元，具体用于当利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号的能量泄露小于所述第一阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1;$

当确定利用所述第一信号波束形成器参数发射的所述保密信号使得所述合法用户设备接收到的所述保密信号的信干燥比大于设定第二阈值时，根据所述方向矢量参数和所述第一信道衰落参数得到如下公式：

${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B;$

根据 ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right){|}^2\mathrm{d\θ}\≤{\mathrm{\ω}}_1^{H}P{\mathrm{\ω}}_1$ 和 ${\left|\mathrm{\α}\right|}^2{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2\≥{\mathrm{\γ}}_B,$ 得到发射所述保密信号的第一信号波束形成器参数：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_B}{{\left|\mathrm{\α}\right|}^2}}\frac{P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_1\right)P^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω，Ω为保密信号波束的旁瓣区域，a(θ₁)为所述合法用户设备接收保密信号的方向矢量参数，θ₁为所述合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_B为第二阈值，α为用于传输所述保密信号的信道的第一信道衰落参数，P＝∫_Ωa(θ)a^H(θ)dθ，为第一阈值。

9.如权利要求7所述的信号发送设备，其特征在于，

所述计算单元，具体用于当利用所述第二信号波束形成器参数发射的所述人工噪声信号对所述合法用户设备的干扰小于设定门限值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η};$

在确定在所述发射区域内的非法用户设备接收到的所述人工噪声信号的信干燥比小于第三阈值时，根据所述方向矢量参数得到如下公式：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ};$

在所述人工噪声信号的发射功率与所述保密信号的发射功率之和小于设定发射功率时，得到如下公式：

${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1;$

根据 ${\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\≤\mathrm{\η},$ $\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_0^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\ω}}_0^H{\mathrm{\ω}}_0\≤P_t-{\mathrm{\ω}}_1^H{\mathrm{\ω}}_1,$ 得到发射所述人工噪声信号的第二信号波束形成器参数；

其中，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为Ω_AN，Ω_AN为确定的人工噪声信号的发射区域，a(θ₁)为方向矢量参数，λ为第三阈值，η为设定门限值，为所述人工噪声信号的发射功率，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，为所述保密信号的发射功率，P_t为设定发射功率，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角。

10.如权利要求7至9任一项所述的信号发送设备，其特征在于，

所述确定单元，具体用于根据所述方向矢量参数，通过以下方式确定所述保密信号的能量泄露区域：

$\frac{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\right|}^2}{{\left|{\mathrm{\ω}}_1^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|}^2}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sl}};$

其中，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，a(θ)为方向矢量函数，θ为方向角，取值范围为能量泄露区域，a(θ₁)为方向矢量参数，θ₁为合法用户设备接收保密信号的方向角，γ_sl为设定数值；

根据所述保密信号的能量泄露区域和发射所述保密信号的信号波束形成器的主瓣区域，得到人工噪声信号的发射区域。

11.如权利要求7至10任一项所述的信号发送设备，其特征在于，

所述确定单元，具体用于若发送的人工噪声信号的个数为至少两个时，根据所述方向矢量参数，确定待发送的至少两个人工噪声信号的发射区域；

根据待发送的人工噪声信号的个数，将确定的所述发射区域进行划分；

根据划分结果，为每一个待发送的人工噪声信号确定发射区域，其中，每一个人工噪声信号对应的发射区域不重叠。

12.如权利要求7至11任一项所述的信号发送设备，其特征在于，

所述发送单元，具体用于利用所述第一信号波束形成器参数和所述第二信号波束形成器参数对待发射的信号进行处理，得到处理后的信号：

$y={\mathrm{\ω}}_1^{H}x+{\mathrm{\ω}}_0^H{n}_a;$

其中，y为处理后的信号，n_a为人工噪声信号，ω₁为第一信号波束形成器参数，为ω₁的共轭转置，ω₀为第二信号波束形成器参数，为ω₀的共轭转置。