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毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

黄开枝 王少禹 许晓明 陈亚军

黄开枝, 王少禹, 许晓明, 陈亚军. 毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 952-958. doi: 10.11999/JEIT180713
引用本文: 黄开枝, 王少禹, 许晓明, 陈亚军. 毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(4): 952-958. doi: 10.11999/JEIT180713
Kaizhi HUANG, Shaoyu WANG, Xiaoming XU, Yajun CHEN. Security Hybrid Beamforming Algorithm for Millimeter Wave Downlink Multiuser System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(4): 952-958. doi: 10.11999/JEIT180713
Citation: Kaizhi HUANG, Shaoyu WANG, Xiaoming XU, Yajun CHEN. Security Hybrid Beamforming Algorithm for Millimeter Wave Downlink Multiuser System[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2019, 41(4): 952-958. doi: 10.11999/JEIT180713

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

doi: 10.11999/JEIT180713
基金项目: 国家自然科学基金(61701538, 61601514, 61501516, 61871404)
详细信息
    作者简介:

    黄开枝:女,1973年生,教授、博士生导师,研究方向为移动通信网络及信息安全

    王少禹:男,1993年生,硕士生,研究方向为移动通信安全

    许晓明:男,1988年生,助理研究员,研究方向为移动通信安全

    通讯作者:

    王少禹 2694183974@qq.com

  • 中图分类号: TN92

Security Hybrid Beamforming Algorithm for Millimeter Wave Downlink Multiuser System

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701538, 61601514, 61501516, 61871404)
  • 摘要:

    毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。

  • 图  1  毫米波下行多用户窃听系统模型

    图  2  混合波束成形结构

    图  3  不同${\rm{SNR}}$时系统频谱效率

    图  4  不同波束成形算法的比较

    图  5  安全频谱效率随天线数目的变化以及与移相器量化精度的关系

    图  6  安全频谱效率随人工噪声功率分配因子的变化

    表  1  毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

     算法步骤:
     输入:$\mathbb{F}$, $\mathbb{W} $, $P$, $\phi $;
     第1阶段:
      对每个用户$k$, $k = 1,2, ·\!·\!· ,K$
      基站和用户联合计算:
          $\left\{ {{{f}}_k^{*} ,{{W}}\!\!_k^{\ *}} \right\} = \mathop {\arg \max }\limits_{{{{W}}\!_k} \in {\mathcal{W}} , {{{f}}\!_k} \in {\mathcal{F}}} \left| {{{W}}\!\!_k^{\ \rm{H}}{{{H}}\!_k}{{f}}\!_k^{{\ \rm{RF}}}} \right|$
        用户$k$设置$ {{{W}}\!_k} = {{W}}\!_k^{\ *} $
      基站设置$ {{{F}}_{{\rm{RF}}}} = \left[ {{{f}}_1^ * ·\!·\!· {{f}}\!_K^{\ *} ,{{{v}}_{K + 1}} ·\!·\!· {{{v}}_{{L_{\rm t}}}}} \right]$
     第2阶段:
      对每个用户$k$, $k = 1,2, ·\!·\!· ,K$
        用户计算等效基带信道矩阵${{\tilde{ H}}\!_k} = {{W}}\!_k^{\ \rm{H}}{{{H}}\!_k}{{{F}}_{{\rm{RF}}}}$
        用户向基站反馈信道状态信息${{\tilde{ H}}\!_k}$
      基站计算${\tilde{ H}} = {\left[ {{\tilde{ H}}_1^{\rm{T}},{\tilde{ H}}_2^{\rm{T}}, ·\!·\!·, {\tilde{ H}}\!_K^{\rm{T}}} \right]^{\rm{T}}}$, ${{{F}}_{{\rm{BB}}}} = {{\tilde{ H}}^{\rm{H}}}{\left( {{\tilde{ H}}{{{\tilde{ H}}}^{\rm{H}}}} \right)^{ - 1}}$;基 站进行奇异值分解${\tilde{ H}} \!=\! {\tilde{ U}}\tilde {Σ} {{\tilde{ V}}^{\rm{H}}}$,设置${{{F}}_{{\rm{BB}},z}} \!=\!\! {\tilde{ V}}\left( {:,K + 1, ·\!·\!· ,{L_{\rm t}}} \right)$
     输出:基站端模拟预编码${{{F}}_{{\rm{RF}}}}$,基站端数字预编码${{{F}}_{{\rm{BB}}}}$,人工噪 声数字预编码${{{F}}_{{\rm{BB,}}z}}$,用户处模拟接收成形矩阵${{{W}}\!_k}$。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-17
  • 修回日期:  2018-12-20
  • 网络出版日期:  2019-01-02
  • 刊出日期:  2019-04-01

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