CN110690914B - 一种基于物理层安全的毫米波大规模mimo-noma系统下混合预编码设计方法 - Google Patents

一种基于物理层安全的毫米波大规模mimo-noma系统下混合预编码设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO‑NOMA系统下混合预编码设计方法，包括如下步骤：获取一个单小区第g个波束中第m个用户的信号；当用户的数量可以大于RF链的数量时，对用户进行分组，每组用户包含在一个波束内接收数据，信道状态信息计算出每个用户的信道增益，将其中信道增益最大的用户作为第一组波束的簇头，多余的用户分别计算与各个簇头用户的相关性，选择与之相关性最大的簇头为同一分组；成后我们可以根据簇头所在的信道状态信息生成模拟预编码A和数字预编码dk。本发明高效的完成了用户分组，对后续的模拟预编码和数字预编码提供了很好的基础。

Description

一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合 预编码设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法和适用于该方法的电机，属超声电机领域。
背景技术
随着将来移动用户对数据需求量的不断增加，当前基于低频微波通信的蜂窝网络(Long Term Evolution,LTE)将不能满足如此巨大的数据需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，具体而言通过以下技术方案实现：
本发明所述的一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，包括如下步骤：
S1：获取一个单小区第g个波束中第m个用户的信号；
S2：当用户的数量可以大于RF链的数量时，对用户进行分组，每组用户包含在一个波束内接收数据，由信道状态信息计算出每个用户的信道增益，并作归一化处理，记为||hk||2，将其中信道增益最大的用户作为第一组波束的簇头，然后计算其他用户与该作为第一组波束簇头用户的信道相关性，并作归一化处理，记为||rk||2；
分别对||hk||2和||rk||2分配不同的权重值αk和1-αk，利用公式(1)获取抽头系数ak
ak＝αk·||hk||2+(1-αk)·||rk||2 (1)
ak按照从大到小的顺序分别作为剩下波束的簇头；
S3：多余的用户分别计算与各个簇头用户的相关性，选择与之相关性最大的簇头为同一分组；完成后我们可以根据簇头所在的信道状态信息生成模拟预编码A和数字预编码dk；其中：k为第k个分配在第g个分组中第m的位置的用户，记为g,m。
进一步，在S1中，获取一个单小区第g个波束中第m个用户的信号可按照公式(2)获得：
Figure GDA0003298144620000021
其中：信道向量记为hg，m，模拟预编码记为A，数字预编码记为dg，m，信号分配功率记为pg，m，信号记为sg，m，噪声记为vg，m。
进一步，所述的基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，最大安全传输速率和最大安全能效的获取方法：包括如下步骤：
步骤一：对公式
Figure GDA0003298144620000022
Figure GDA0003298144620000023
进行变换得到
Figure GDA0003298144620000024
其中：常数λ，传输速率Rk，传输速率
Figure GDA0003298144620000025
最大安全传输速率Rmax，最大安全能效EEmax，信号分配功率记为pk。
步骤二：对Rk和
Figure GDA0003298144620000026
中的非凸项进行一阶泰勒级数变换，使其变为凸的线性规划问题。对λ赋初值为0；
步骤三：对问题(5)进行CVX求解并得出最优解，再将最优解带入到原式中进行迭代计算直到收敛；
步骤四：如果是第一次内层迭代λ＝0时，则此时将最优解的点带入公式(3) 可得到最大安全速率。然后更新λ的值，公式(6)所示：
Figure GDA0003298144620000031
步骤五：将更新后的λ值带入(5)判断是否收敛，如不收敛返回第二步继续迭代，直到外层迭代收敛，得到最优解的点；
步骤六：将最优解的点带入公式(4)，可得到最大安全能效的最优解。
本发明的益处在于。第一：高效的完成了用户分组，对后续的模拟预编码和数字预编码提供了很好的基础。第二，最大安全速率和最大能效速率的求解方法的迭代收敛较快，精度较高。使用本发明基站(BS)的HP架构可以在不造成明显性能损失、保证最大安全能效和速率的情况下，显著减少所需RF链的数量，在保证毫米波大规模MIMO系统的频谱效率的同时，可以在很大程度上节约基站的能耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明用户分组方法的流程图；
图2是本发求最大安全能效和最大安全速率方法的流程图；
图3是使用本发明所得到的最大安全速率的效果图；
图4是使用本发明所得到的最大安全能效的效果图.
具体实施方式
下面结合附图，对本发明 作进一步的说明：
本发明设计是在一个单小区下行链路的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下，第 g个波束中第m个用户的信号如(1)所示，信道向量记为hk，模拟预编码记为A，数字预编码记为dk，信号分配功率记为pk，信号记为sk，噪声记为vk。
Figure GDA0003298144620000041
在MIMO-NOMA系统中，波束个数即为射频链RF的个数，每个波束内可以同时服务多个用户。因此，所支持的用户的数量可以大于RF链的数量。当用户的数量可以大于RF链的数量时，由公式(1)可知，我们需要对用户进行分组，每组用户包含在一个波束内接收数据，具体的分组方法如图1所示：
步骤一：根据信道状态信息计算出每个用户的信道增益，并作归一化处理，记为||hk||2。
步骤二：将其中信道增益最大的用户i作为第一组波束的簇头，如公式(2) 所示。
||hi||2＝max||hk||2 (2)
然后计算其他用户与该作为第一组波束簇头用户的信道相关性，并作归一化处理，记为||rk||2如公式(3)所示。
Figure GDA0003298144620000042
步骤三：分别对||hk||2和||rk||2分配不同的权重值αk和1-αk，带入公式(4) 得到抽头系数ak，并从大到小排列。
ak＝αk·||hk||2+(1-αk)·||rk||2 (4)
步骤四：ak按照从大到小的顺序分别作为剩下波束的簇头。
步骤五：多余的用户分别计算与各个簇头用户的相关性，选择与之相关性最大的簇头为同一分组。
分组完成后我们可以根据簇头所在的信道状态信息生成模拟预编码A和数字预编码dk。
根据香农公式，我们可以得到该用户的传输速率Rk和窃听用户的传输速率
Figure GDA0003298144620000051
其中系统的最大安全传输速率和最大安全能效如(5)(6)所示。
Figure GDA0003298144620000052
Figure GDA0003298144620000053
其中因为用户已经进行了用户分组，因此我们用第g个波束中的第m个用户的信号Rg,m代替Rk，
Figure GDA0003298144620000054
代替
Figure GDA0003298144620000055
Rg,m，
Figure GDA0003298144620000056
如式(7)(8)
Figure GDA0003298144620000057
Figure GDA0003298144620000058
因为最大安全传输速率和最大能效由公式可得是非凸的，无法直接得到最优解，因此在获得最大安全传输速率和最大能效本发明提出以下方法：
步骤一：对问题(6)进行一个等效变换，变换为(9)，则问题(5)和(6) 的所得到最大值得点是相同的，其中λ为一个常数。
Figure GDA0003298144620000059
步骤二：对Rk和
Figure GDA0003298144620000061
中的非凸项进行一阶泰勒级数变换，使其变为凸的线性规划问题。对λ赋初值为0。
步骤三：对问题(9)进行CVX求解并得出最优解，再将最优解带入到原式中进行迭代计算直到收敛。
步骤四：如果是第一次内层迭代λ＝0时，则此时将最优解的点带入公式(3) 可得到最大安全速率。然后更新λ的值，公式(10)所示。
Figure GDA0003298144620000062
步骤五：根据公式(11)判断是否收敛
Figure GDA0003298144620000063
如收敛进入第六步，如不收敛返回第二步继续迭代。
步骤六：将最优解的点带入公式(6)，可得到最大安全能效的最优解。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，包括如下步骤：
S1：获取一个单小区第g个波束中第m个用户的信号；
S2：当用户的数量可以大于RF链的数量时，对用户进行分组，每组用户包含在一个波束内接收数据，由信道状态信息计算出每个用户的信道增益，并作归一化处理，记为||hk||2，将其中信道增益最大的用户作为第一组波束的簇头，然后计算其他用户与该作为第一组波束簇头用户的信道相关性，并作归一化处理，记为||rk||2；
分别对||hk||2和||rk||2分配不同的权重值αk和1-αk，利用公式(1)获取抽头系数ak
ak＝αk·||hk||2+(1-αk)·||rk||2 (1)
ak按照从大到小的顺序分别作为剩下波束的簇头；
S3：多余的用户分别计算与各个簇头用户的相关性，选择与之相关性最大的簇头为同一分组；完成后根据簇头所在的信道状态信息生成模拟预编码A和数字预编码dk；
其中：k为第k个分配在第g个分组中第m的位置的用户，记为g,m。
2.根据权利要求1所述的基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，其特征在于：在S1中，获取一个单小区第g个波束中第m个用户的信号可按照公式(2)获得：
Figure FDA0003298144610000021
其中：信道向量记为hg，m，模拟预编码记为A，数字预编码记为dg，m，信号分配功率记为pg，m，信号记为sg，m，噪声记为vg，m，第g个分组的用户集合记为|Sg|，第i个分组的用户集合记为|Si|。
3.根据权利要求1所述的基于物理层安全的毫米波大规模MIMO-NOMA系统下混合预编码设计方法，其特征在于：最大安全传输速率和最大安全能效的获取方法：包括如下步骤：
步骤一：对公式
Figure FDA0003298144610000022
Figure FDA0003298144610000023
进行变换得到
Figure FDA0003298144610000024
其中：常数λ，传输速率Rk，传输速率
Figure FDA0003298144610000025
最大安全传输速率Rmax，最大安全能效EEmax；信号分配功率记为pk；
步骤二：对Rk和
Figure FDA0003298144610000026
中的非凸项进行一阶泰勒级数变换，使其变为凸的线性规划问题；对λ赋初值为0；
步骤三：对问题(5)进行CVX求解并得出最优解，再将最优解带入到原式中进行迭代计算直到收敛；
步骤四：如果是第一次内层迭代λ＝0时，则此时将最优解的点带入公式(3)可得到最大安全速率； 然后更新λ的值，公式(6)所示：
Figure FDA0003298144610000031
步骤五：将更新后的λ值带入(5)判断是否收敛，如不收敛返回第二步继续迭代，直到外层迭代收敛，得到最优解的点；
步骤六：将最优解的点带入公式(4)，可得到最大安全能效的最优解。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111371482B (zh) * 2020-03-09 2021-02-12 北京理工大学 基于波束聚合的下行广播链路的毫米波mimo-noma方法
CN111726144B (zh) * 2020-06-24 2021-04-16 中南大学 基于初值优化的混合预编码设计方法、装置、介质及设备
CN113329418B (zh) * 2021-04-21 2022-04-05 中南大学 基于大规模mimo-noma系统的用户分簇方法、系统及介质
CN113922849B (zh) * 2021-10-28 2022-07-08 南京邮电大学 一种毫米波mimo-noma系统下的用户分组和功率分配方法
CN115133969B (zh) * 2022-07-01 2023-07-25 内蒙古大学 毫米波大规模mimo-noma系统的性能提高方法
CN115542308B (zh) * 2022-12-05 2023-03-31 德心智能科技(常州)有限公司 基于毫米波雷达的室内人员探测方法、装置、设备及介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108768483A (zh) * 2018-05-30 2018-11-06 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于大规模双极化天线的noma下行无干扰传输方法
EP3481022A1 (en) * 2017-11-01 2019-05-08 Industrial Technology Research Institute Method of receiving or transmitting data by ue or base station under noma scheme, ue using the same and base station using the same
CN110191476A (zh) * 2019-04-18 2019-08-30 浙江大学 一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10056690B2 (en) * 2017-01-18 2018-08-21 Elwha Llc Tunable medium linear coder
KR20180090689A (ko) * 2017-02-03 2018-08-13 삼성전자주식회사 Lte-nr 공존시의 자원 운용 방안
CN106936485B (zh) * 2017-04-05 2020-06-16 浙江大学 一种针对大规模mimo多播系统的混合预编码设计方法
CN110113752B (zh) * 2019-04-18 2022-07-01 东南大学 基于信道稀疏性测量的毫米波安全通信方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3481022A1 (en) * 2017-11-01 2019-05-08 Industrial Technology Research Institute Method of receiving or transmitting data by ue or base station under noma scheme, ue using the same and base station using the same
CN108768483A (zh) * 2018-05-30 2018-11-06 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于大规模双极化天线的noma下行无干扰传输方法
CN110191476A (zh) * 2019-04-18 2019-08-30 浙江大学 一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法

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