CN109347527B - 一种服务质量保障的大规模mimo安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，该方法中小区基站配置大规模天线阵列，并通过波束赋形生成覆盖整个小区的大规模波束集合。小区基站根据小区合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，对波束域发送给各个合法用户的信号进行服务质量保障的波束域功率分配。其中，波束域功率分配基于Majorization‑minimization过程和确定性等同方法，通过迭代求解凸优化问题获得波束域最优功率分配矩阵。该功率分配结果随着波束域统计信道信息的变化而动态更新。本发明方法能够有效保证多播无线通信的安全性，保障小区各用户的服务质量，并且能显著降低服务质量保障的安全无线传输实现复杂度。

Description

一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用大规模天线阵列且能够保障服务质量的安全传输方法。

背景技术

大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术可以大幅提高无线通信系统的频谱效率和功率效率，适应不断增长的无线业务需求，吸引了学术界和产业界的广泛关注，成为5G通信最具发展前景的技术之一。

由于无线介质的广播性质，如何确保信息的安全传输成为无线通信亟待解决的问题。随着计算机解密运算能力的不断提升，传统的网络层加密方法已经不再可靠。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，旨在提高无线通信系统的安全性。

传统的物理层安全传输方法以最大化系统信息传输和速率为目标，这样做可能导致部分信道条件较差的用户无法进行正常通信，基本的服务质量不能得到保障。

在大规模MIMO安全通信过程中需要对给不同用户的发送信号进行设计。对于此类功率分配问题往往非凸，很难得到全局最优解，并且当基站侧天线数量较大时求解的实现复杂度很高。为此，本发明提出一种服务质量保障的利用统计信道信息的低复杂度大规模MIMO波束域安全无线传输方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种利用大规模天线阵列和统计信道状态信息，考虑场景中存在窃听用户的保障服务质量的安全无线传输方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，包括以下步骤：

(1)小区基站配置大规模天线阵列，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，并在生成的波束上与目标用户进行通信；

(2)基站获取小区中合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建服务质量保障的安全传输功率分配优化问题，利用Majorization-minimization过程和确定性等同方法对优化问题进行求解，并对发送给各用户的信号进行功率分配；

(3)在小区中各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态更新服务质量保障的安全传输功率分配结果。

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小区合法用户进行通信，该通信的过程在波束域上实施；

所述步骤(2)中基站利用小区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，所以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，构建并求解服务质量保障的安全传输功率分配优化问题。该优化问题目标函数为最大化系统最小用户安全传输速率下界，优化变量为发送给各合法用户的信号协方差矩阵，约束条件为各发送信号协方差矩阵之和满足功率约束；其中用户安全传输速率下界为合法用户信息传输速率与非法窃听用户对该合法用户信号的窃听速率上界的差值；

具体的功率分配方法为基于Majorization-minimization过程和确定性等同方法的迭代算法包括：

(a)利用矩阵运算重新将目标函数min(·)内重新组合成两项相减的形式：并对第二项减数项进行一阶泰勒展开，将目标函数转化为凹的目标函数。利用凸优化方法求解上述优化问题，将得到的解带入目标函数产生下一次迭代的优化问题，并再次进行求解，直至相邻两次迭代过程中的系统最小用户安全传输速率下界的差值小于给定阈值停止迭代，最后一次迭代过程的解即优化问题的解；

(b)目标函数表达式中含有期望运算，为了降低运算复杂度，运用大维随机矩阵理论，在每一次迭代过程中计算min(·)内第一项的确定性等同，避免使用蒙特卡洛法对信道进行遍历求期望。

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，从而实施安全无线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无线传输，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.利用小区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系统。

3.以系统最小用户安全传输速率下界为目标函数，保障小区各用户的服务质量，避免出现部分信道条件较差的用户得不到基本通信服务的情况。

4.利用基于Majorization-minimization过程和确定性等同的迭代算法，显著降低该服务质量保障的安全无线传输实现复杂度，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服务质量保障的大规模MIMO安全无线传输方法流程图。

图2为存在窃听用户的大规模MIMO系统示意图。

图3为基于Majorization-minimization过程和确定性等同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服务质量保障的大规模MIMO安全无线传输方法，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服务质量保障的安全通信，该通信的过程在波束域上实施；

2)站获取小区中合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建服务质量保障的安全传输功率分配优化问题，利用Majorization-minimization过程和确定性等同方法对优化问题进行求解，并对发送给各用户的信号进行功率分配；

3)在小区中各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态更新服务质量保障的安全传输功率分配结果。

下面以图2所示的存在非法窃听用户的大规模MIMO系统场景为例，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个合法用户，每个用户分别配置N_k根接收天线。另外，小区中存在一个配置有N_eve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，基站在波束域向各个用户分别发送信号。

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，小区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

和

假设基站发送给各用户的波束域信号为x_k，k＝1,...,K，发送信号的协方差矩阵为

小区用户k的可达遍历速率可以表示为：

其中

为用户k收到干扰信号的协方差矩阵。

窃听用户对用户k的窃听速率可以表示为：

用户k的安全传输速率为

其中[x]⁺表示取0和x中较大的数，确保安全多播速率非负。为计算方便，我们计算窃听用户对用户k的窃听速率上界

利用Jensen不等式，

可以表示为：

因此得到用户k的安全传输速率下界值为：

系统中最小用户安全传输下界值为：

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_k,k＝1,...,K为对角矩阵。考虑到当Λ_k,k＝1,...,K中的元素全为0时，安全传输速率下界值为0，即若安全传输速率下界值小于0时是总可以增加到0的，故可以省略符号[·]⁺。

为了保障服务质量，避免出现部分信道条件较差的用户得不到基本通信服务的情况，我们以最大化系统最小用户安全传输速率下界R_sec,lb为目标，对发送信号协方差矩阵Λ₁,...,Λ_K进行优化，即在基站侧对发送信号进行功率分配，即解决如下优化问题：

其中窃听用户对用户k的窃听速率上界

的变量为Λ_k，这里为了与前项形式一致，写成

由于此优化问题不是凸优化问题，很难得到全局最优解，且实现复杂度很高。为此，本发明实施例利用Majorization-minimization过程和确定性等同方法对优化问题进行求解。

上述Majorization-minimization过程实现如下：

1.利用矩阵运算将目标函数min(·)内重新组合成两项相减的形式：

其中：

R_k,2(Λ₁,...,Λ_K)＝logdet(K_k)+logdet(K_eve,k) (10)

其中

于是优化问题可以改写成如下：

2.由于min(·)内是两项凹函数相减，目标函数非凹，优化问题不是凸优化问题。于是对min(·)内第二项减数项R_k,2(Λ₁,...,Λ_K)进行一阶泰勒展开，将目标函数变为凹函数：

其中涉及到矩阵求导，处理方式如下：

导数求和项可以分成两部分f_k(Λ₁,...,Λ_K)和g_k(Λ₁,...,Λ_K)的相加，其中：

其中

和

均为对角阵，对角线上的元素可以表示为：

3.将求导部分带入公式(12)后利用内点法或其他凸优化方法得到优化问题的解

并根据得到的优化问题的解计算本次系统中最小用户安全传输速率下界值。

4.将得到的优化问题解

带入公式(12)重新产生新的优化问题并重新计算导数进行凸优化问题的求解。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系统中最小用户安全传输速率R_sec,lb收敛。

上述确定性等同方法实现如下：

为了降低运算复杂度，根据大维随机矩阵理论，利用波束域统计信道状态信息计算第l次迭代过程中min(·)内第一项R_k,1(Λ₁,...,Λ_K)的确定性等同：

其中

和

分别为M×M和N_k×N_k的对角矩阵，通过迭代计算得到：

通常经过几次迭代

和

就能达到收敛。Π_k(X)和Ξ_k(Y)生成M×M和N_k×N_k的对角矩阵，对角线上的元素为：

[Π_k(X)]_m,m＝tr{diag{[Ω_k]_:,m}X} (22)

[Ξ_k(Y)]_n,n＝tr{diag{([Ω_k]_n,:)^T}Y} (23)

同样，系统最小用户安全传输速率下界R_sec,lb的确定性等同可以表示为

图3给出了基于Majorization-minimization过程和确定性等同的迭代算法流程图。下面给出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

设置迭代次数指示l＝-1，同时令

在初始化发送信号的协方差矩阵Λ⁽⁰⁾时，可以假设均匀功率分配，即这K个协方差矩阵都是

其中I_M为M×M的单位矩阵。

步骤2：令l＝l+1，利用

迭代计算第l次迭代用到的确定性等同辅助变量

和

直至变量收敛，即迭代过程中辅助变量的变化值小于给定阈值。计算当次迭代系统最小用户安全传输速率下界R_sec,lb的确定性等同：

同时，将

的确定性等同

带入优化目标：

步骤3：将目标函数min(·)内第二项减数项R_k,2(Λ₁,...,Λ_K)进行一阶泰勒展开，形成凸优化问题：

步骤4：利用内点法或其他凸优化方法求解凸优化问题得到

步骤5：比较

和

若差值小于给定阈值则

即优化问题的解，否则回到步骤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，进行波束域安全传输功率分配。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)

1.一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)小区基站配置大规模天线阵列，基站通过波束赋形生成能够覆盖整个小区的波束集合，在生成的波束上与目标用户进行通信；

(2)基站获取小区中合法用户和非法窃听用户的波束域统计信道状态信息，构建服务质量保障的安全传输功率分配优化问题，利用Majorization-minimization过程和确定性等同方法对优化问题进行求解，并对发送给各用户的信号进行功率分配；所述服务质量保障的安全传输功率分配优化问题表示为：

subject to

Λ_k≥0,k＝1,...,K

其中，

为用户k的可达遍历速率，

为窃听用户对于用户k的窃听速率上界，

为用户k收到干扰信号的协方差矩阵，上标-1表示矩阵求逆，min(·)表示取最小值，Λ₁,...,Λ_K为基站发送给各合法用户的信号协方差矩阵，N_k为用户k的接收天线数，N_eve为窃听用户的接收天线数，

是维度为N_k×N_k的单位矩阵，

是维度为N_eve×N_eve的单位矩阵，K为小区合法用户数，G_k和G_eve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，P为基站总功率约束，det表示取矩阵的行列式，tr(·)表示计算矩阵的迹，≥0表示矩阵非负定；

求解服务质量保障的安全传输功率分配优化问题所用的Majorization-minimization过程和确定性等同方法包括如下两个方面：

(a)利用矩阵运算重新将目标函数min(·)内重新组合成两项相减的形式：

其中

R_k,2(Λ₁,...,Λ_K)＝log det(K_k)+log det(K_eve,k)，

然后利用Majorization-minimization过程进行求解：

在当次迭代过程中将目标函数第二项

进行一阶泰勒展开，得到如下优化问题：

subject to

Λ_k≥0,k＝1,...,K

上标l指示迭代次数；

利用凸优化方法求解上述优化问题，将得到的解带入目标函数产生下一次迭代的优化问题，并再次进行求解，直至相邻两次迭代过程中的系统最小用户安全传输速率下界的差值小于给定阈值停止迭代，最后一次迭代过程的解即优化问题的解；

(b)运用大维随机矩阵理论，在每一次迭代过程中计算R_k,1(Λ₁,...,Λ_K)的确定性等同：

其中，

和

是对角矩阵，通过迭代求解：

Π_k(X)和Ξ_k(Y)分别生成M×M和N_k×N_k的对角矩阵，对角线上的元素分别为：

[Π_k(X)]_m,m＝tr{diag{[Ω_k]_:,m}X}

[Ξ_k(Y)]_n,n＝tr{diag{([Ω_k]_n,:)^T}Y}

M为基站天线数，diag表示向量的对角化，上标T表示矩阵的转置，Ω_k表示基站到用户k的统计信道状态信息，[·]_:,m和[·]_n,:分别表示取矩阵的第m列和第n行；

(3)在小区中各用户移动过程中，随着基站与各用户之间统计信道状态信息的变化，基站侧动态更新服务质量保障的安全传输功率分配结果。

2.根据权利要求1所述的一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，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小区合法用户进行通信，该通信的过程在波束域上实施。

3.根据权利要求1所述的一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，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；其中，基站到用户k的统计信道状态信息

基站到非法窃听用户的统计信道状态信息

表示期望运算，⊙为矩阵的阿达玛积，*为矩阵的共轭。

4.根据权利要求1所述的一种服务质量保障的大规模MIMO安全传输方法，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；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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