CN108900228B - 一种大规模多天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，基于一个大规模天线安全通信系统，采用低精度DAC的基站作为发射端，且在信息中加入伪噪声对窃听者进行干扰，对伪噪声采用特定的预编码方案，可以使其只对窃听终端产生干扰而不对合法用户造成任何影响。本发明在最大化安全传输速率的准则下给出了最优的信号‑噪声功率分配比例，即伪噪声功率配置方法，有效提高安全传输的能量效率。本发明计算复杂度低，对大规模天线系统中实现高安全性的无线通信具有重要意义。

Description

一种大规模多天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法

技术领域

本发明涉及一种大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，属于通信安全技术领域。

背景技术

由于无线电信道的广播特性，信息的私密性一直是无线通信领域的研究热点。基于秘钥的传统安全通信主要在网络层和应用层实现。这类方案都基于一个重要假设：窃听终端的计算能力不足以在缺乏秘钥信息的情况下获得目标信息。但是随着计算机技术和设备计算能力的迅速发展，这类方法面临着巨大的挑战。近年来，无需秘钥的物理层安全通信方案，获得了广泛的关注。值得一提的是，物理层安全通信可以结合现有的高层私密传输方法，实现多层联合安全传输。

经典的物理层安全通信网络由三个部分组成，分别为：一个发送端，一个作为合法用户的接收端，以及一个作为窃听者的接收端。窃听者旨在破解基站发送给合法用户的机密信息。为了提高信息传输的频谱效率，该模型已经被拓展到多天线网络。已有文献证明，如果发送端能够获得窃听者的瞬时信道信息，一种广义奇异值分解预编码方案能够在高信噪比下逼近安全信道容量。如果发送端只有窃听信道的统计信息，则可以在发送信号中人为加入伪噪声对窃听进行干扰。伪噪声通常设计在合法用户信道的零空间，因此不会干扰合法用户的通信，但是会消耗原本用来发送有效信号的能量。在整体发送功率受限的条件下，有效信息和伪噪声之间的功率分配是一个倍受关注的问题。

最近，大规模天线技术已被公认为下一代移动通信系统(5G)的关键支撑技术之一。其中大规模天线阵列需要配置成百上千根传输天线，通过天线阵列实现波束赋形，大大提高系统的频谱和能量效率。在下行链路传输中，基站每根天线需要配置一对数模转换单元(DAC)，分别对复数信号的实部和虚部进行数模转换。因此，系统的硬件和功耗成本随着天线数目的增加而迅速增长。由于DAC的功耗随着精度的降低而呈指数级衰减，当前许多研究都考虑采用低精度DAC以降低系统整体功耗。目前已有研究分析了采用低精度DAC的多种线性预编码方案，包括最大比合并、迫零、正则化迫零预编码等。显然，低精度的数模转换不可避免地会带来传输速率衰减，这说明在功耗成本和系统性能之间需要进行权衡。

有效信息和伪噪声之间的功率分配，功耗成本和系统性能之间的权衡都是现今亟待解决的难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法。该方法基于一个大规模天线安全通信系统，采用低精度DAC的基站作为发射端，同时服务于多个合法用户，同时网络中还存在一个窃听者。基站采用低精度DAC，同时向多个用户传输机密信息，且在信息中加入伪噪声对窃听者进行干扰。给定系统信噪比、DAC精度、基站天线数目、用户数目以及窃听者天线数目，本发明在最大化安全容量的准则下，能够迅速确定最优的功率配置系数，有效提高安全传输的能量效率。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，包括如下步骤：

步骤一，在大规模天线系统中，基站配置N根发射天线，每根天线配置低精度量化的数模转换单元DAC；基站同时服务于K个合法用户终端，每个用户终端配置单根接收天线；窃听者配置M根天线对传输给合法用户终端的信号进行窃听；其中K、M、N为正整数；

步骤二，基站的发送功率设定为P，定义符号φ∈(0,1]为信号-伪噪声功率分配系数，基站发给合法用户终端的有效信号功率为φP，发射伪噪声的功率为(1-φ)P；

步骤三，每个用户的可达速率按如下公式计算：

其中，γ表示系统的平均信噪比；ρ表示DAC的衰减因子；

步骤四，窃听者的信道容量按如下公式计算：

步骤五，根据步骤三和步骤四，合法用户安全通信的传输速率按如下公式计算：

其中[x]⁺表示函数max(x,0)；

步骤六，在最大化安全通信传输速率的准则下优化功率分配系数φ，即求解以下优化问题

步骤七，针对步骤六中的优化问题，求解方程

得到最优的φ取值为：

步骤八，下行链路信号传输时，采用系数φ^*进行伪噪声功率分配。

进一步的，伪噪声采用迫零预编码技术。

进一步的，基站对发送的有效信号采用多用户预编码技术。

进一步的，基站对发送的有效信号采用迫零预编码技术。

进一步的，当DAC精度为1-3比特，ρ取值相应为ρ＝0.3634,0.1175,0.03454。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1)本发明在基站端配置低精度的DAC，能够有效降低大规模天线通信系统的硬件和功耗成本。

2)本发明将伪噪声设计在用户信道矩阵的零空间，使其只对窃听终端产生干扰避免其对合法用户产生额外干扰。

3)本发明对有效信号采用迫零预编码，能够消除用户间干扰。

4)本发明能够根据DAC量化精度、系统信噪比、用户数目、基站以及窃听者天线数目等在最大化安全传输速率的准则下迅速确定最优的信号-噪声功率配置系数，提高系统的能量效率。

5)本发明计算复杂度低，对大规模天线系统中实现高安全性的无线通信具有重要意义。

附图说明

图1为本发明中大规模天线安全通信网络的系统框图，包括基站、用户以及窃听者。

图2展示了安全传输速率R_sec随功率配置系数φ的变化，以及本发明计算得到的最优φ^*。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的大规模多天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，包括如下步骤：

步骤一，如图1所示，在大规模天线系统中，基站配置N根发射天线，每根天线配置低精度量化的数模转换单元(DAC)；基站同时服务于K个合法用户终端，每个用户终端配置单根接收天线；窃听者配置M根天线对传输给合法用户终端的信号进行窃听；其中K、M、N为正整数。基站作为发送端，K个用户作为接收端。

步骤二，基站的发送功率设定为P，定义符号φ∈(0,1]为信号-伪噪声功率分配系数，即表示基站发给合法用户终端的有效信号功率为φP，发射伪噪声的功率为(1-φ)P；伪噪声采用典型的迫零预编码技术，处于合法用户信道的零空间中，因此不对合法用户产生任何干扰。基站对发送的有效信号采用典型的多用户预编码，如迫零预编码技术。

步骤三，每个用户的可达速率按如下公式计算：

其中，γ表示系统的平均信噪比；ρ表示DAC的衰减因子，取值由其量化精度决定，常用DAC下的典型取值包括1，2，3比特的DAC量化分别对应ρ＝0.3634,0.1175,0.03454；

步骤四，窃听者的信道容量按如下公式计算：

步骤五，根据步骤三和步骤四，合法用户安全通信的传输速率按如下公式计算：

其中[x]⁺表示函数max(x,0)；

步骤六，在最大化安全通信传输速率的准则下优化功率分配系数φ，即求解以下优化问题

步骤七，针对步骤六中的优化问题，求解方程

得到最优的φ取值为：

步骤八，下行链路信号传输时，采用系数φ^*进行伪噪声功率分配，系统能够获得最优的安全传输速率。

如图1所示，基站作为发送端，配置有N根天线，每根天线配置低精度DAC；K个用户作为接收端，每个用户配置单根天线；另有一个窃听终端，配置M根天线。

在通信时，需根据DAC精度b_DA确定衰减系数ρ；随后根据系统信噪比γ、基站天线数目N、用户数目K以及窃听天线数目M，按照上述公式(5)计算最优的功率配置系数φ^*；当下行链路信号传输时，采用系数φ^*进行功率分配，即可获得最优的安全传输速率。

在发送端，有效信号和伪噪声分别经过预编码，然后合并生成数字信号序列{x₁,x₂,…,x_N}；接着经过低精度DAC转换成模拟信号序列{x_q1,x_q2,…,x_qN}；最后通过射频链路由天线阵列发送。在接收端，每个用户独立对接收信号进行检测；同时窃听终端试图从接收信号中恢复出有效信息。

为了进一步说明本发明方法的优越性，我们实验对比本发明方法和常规的数值计算方法。采用图2展示了安全传输速率R_sec随功率配置系数φ的变化。DAC转换精度分别为b_DA＝1、2、3、∞比特，信噪比为γ＝0、5dB，基站天线数目N＝128，用户数目K＝8，窃听天线数目M＝16。从图中可以看出，R_sec先随φ的增加而增长，但是随后又随φ的增加而降低。显然，功率配置比例φ存在一个最优取值。为了验证本发明，我们比较根据本发明中公式计算得到的最优比例φ^*(图中圆圈)与采用数值方法得到的φ^*(图中叉号)。可以看出，本发明的计算结果十分精确，且计算复杂度远远小于数值计算方法。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在大规模天线系统中，基站配置N根发射天线，每根天线配置低精度量化的数模转换单元DAC；基站同时服务于K个合法用户终端，每个用户终端配置单根接收天线；窃听者配置M根天线对传输给合法用户终端的信号进行窃听；其中K、M、N为正整数；

步骤二，基站的发送功率设定为P，定义符号φ∈(0,1]为信号-伪噪声功率分配系数，基站发给合法用户终端的有效信号功率为φP，发射伪噪声的功率为(1-φ)P；

步骤三，每个用户的可达速率按如下公式计算：

其中，γ表示系统的平均信噪比；ρ表示DAC的衰减因子；

步骤四，窃听者的信道容量按如下公式计算：

步骤五，根据步骤三和步骤四，合法用户安全通信的传输速率按如下公式计算：

其中[x]⁺表示函数max(x,0)；

步骤六，在最大化安全通信传输速率的准则下优化功率分配系数φ，即求解以下优化问题

步骤七，针对步骤六中的优化问题，求解方程

得到最优的φ取值为：

步骤八，下行链路信号传输时，采用系数φ^*进行伪噪声功率分配。

2.根据权利要求1所述的大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征在于，伪噪声处于合法用户信道的零空间中，采用迫零预编码技术。

3.根据权利要求1所述的大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征在于，基站对发送的有效信号采用多用户预编码技术。

4.根据权利要求3所述的大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征在于，基站对发送的有效信号采用迫零预编码技术。

5.根据权利要求1所述的大规模天线安全通信中最优伪噪声功率配置方法，其特征在于，当DAC精度为1-3比特，ρ取值相应为ρ＝0.3634,0.1175,0.03454。

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