技术摘要：
本申请涉及一种大规模天线系统中的安全传输方法。随着天线数量上升，对波束的设计将引入极高的复杂度，实际应用十分困难。对于合法接收者和窃听者相对于发送者空间方向相近的场景，需要消耗大量发射功率产生人工噪声才能产生明显的干扰效果，系统整体性能不理想。本申  全部
背景技术：
大规模MIMO(Multiple-Input  Multiple-Output，多输入多输出)技术被视作5G  (5th-Generation，第五代移动通信技术)物理层中最有前景的技术。随着天线数量的增加， 天线阵列的空间分辨率提升。利用空间域中信道的特性，物理层安全已成为确保大规模 MIMO  系统中安全传输的有效方法。 基于用户的波束变窄，发射天线的数目增加的特性，大规模MIMO系统通常采用低 复杂度的线性波束成形，从而具有良好的安全传输性能。但是，如果合法接收者和窃听者相 对于发送者几乎具有相同的空间方向，则意味着主信道和窃听信道具有高度相关性，这种 情况下安全传输方案设计变得十分必要。 对于MIMO系统，已有解决方案主要包含波束成形和人工噪声两个方面：其中，波束 成形方案要求发送者获取接收者和窃听者准确的CSI(Channel  State  Information，信道 状态信息)。发送者对发射波束进行设计，使零陷对准窃听者，从而使窃听者在低信噪比下 无法解调出正确信息。在大规模MIMO系统中，随着天线数量上升，对波束的设计将引入极高 的复杂度，实际应用十分困难。对于人工噪声方案，主要步骤是通过在主信道(发送者与合 法接收者间的信道)的零空间引入噪声，在不影响合法接收者信噪比的同时降低窃听者的 信道质量，从而提升系统的安全容量。对于合法接收者和窃听者相对于发送者空间方向相 近的场景，需要消耗大量发射功率产生人工噪声才能产生明显的干扰效果，系统整体性能 不理想。
技术实现要素：
1.要解决的技术问题 基于对于MIMO系统，已有解决方案主要包含波束成形和人工噪声两个方面：其中， 波束成形方案要求发送者获取接收者和窃听者准确的CSI(Channel  State  Information， 信道状态信息)。发送者对发射波束进行设计，使零陷对准窃听者，从而使窃听者在低信噪 比下无法解调出正确信息。在大规模MIMO系统中，随着天线数量上升，对波束的设计将引入 极高的复杂度，实际应用十分困难。对于人工噪声方案，主要步骤是通过在主信道(发送者 与合法接收者间的信道)的零空间引入噪声，在不影响合法接收者信噪比的同时降低窃听 者的信道质量，从而提升系统的安全容量。对于合法接收者和窃听者相对于发送者空间方 向相近的场景，需要消耗大量发射功率产生人工噪声才能产生明显的干扰效果，系统整体 性能不理想的问题，本申请提供了一种大规模天线系统中的安全传输方法。 2.技术方案 为了达到上述的目的，本申请提供了一种大规模天线系统中的安全传输方法，所 5 CN 111614387 A 说　明　书 2/8 页 述方法包括如下步骤： 步骤1)：发送者通过信道估计获取合法接收者上行信道向量； 步骤2)：发送者根据所述上行信道向量提取出上行主信道的角度特征参数； 步骤3)：发送者根据所述上行主信道的角度特征参数对发送数据进行调制，在同 一相干时隙内进行下行数据传输。 本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤1)中上行信道向量获取如下： 设基站端有M＞＞1根天线且为均匀线阵，合法接收者和窃听者随机分布在基站覆 盖范围且均为单天线配置，训练序列的长度L＜T，其中T为信道相干时间长度， 发送者根据接收信号获得上行主信道的估计值。 本申请提供的另一种实施方式为：所述上行信道估计中，发送者接收到的信号为： 其中，hr以M×1的向量的形式表示上行主信道，sH表示满足sHs＝L的归一化的正交 训练序列s的共轭转置， 定义为功率归一化系数， 表示训练序列的能量。  N为 M×L的噪声矩阵，其中每个元素相同且独立地满足均值为0，方差为 的复高斯分布， 表示噪声的功率。 本申请提供的另一种实施方式为：所述上行主信道的估计值为： 其中，n为M×1噪声向量，其中每个元素相同且独立地满足均值为0，方差为1的复 高斯分布。 本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤2)中上行信道角度特征参数提取如 下: 上行主信道的离散傅里叶变换可以表示为 其中F是M×M的矩阵，其第p  行第q列的元素为 定义qmax为 中能量最大的点的下标； 定义空间旋转矩阵Φ(φ)是由元素{1,ejφ,...,ej(M-1)φ}组成的对角矩阵，信道以 φ为参数进行旋转后的离散傅里叶变换为 φ取值范围为 求解 最优空间旋转角度φopt；定义集合 其中，μ＜＜M表示用于信道稀疏化表示的DFT点的数量，因此 6 CN 111614387 A 说　明　书 3/8 页 其中 表示 的子向量，该向量包含了以集合 中元素作为下标索引的 中的元素； 定义空间特征参数为 计算出上行主信道的空间特征参数a1。 本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3)中下行数据传输流程如下： 发送者在发送端进行参数为φ0的波束的空间旋转操作，合法接收者端的接收信 号； 合法接收者根据所述接收信号计算出旋转后的下行主信道的估计值 根据 得出下行主信道的最大能量点的下标qmax2；根据所述接收信号计算出旋转后的下行主信道 的稀疏估计值 根据 参照步骤2)的方法，可以得出下行主信道的φopt2； 综上，得出合法接收者端得出的下行主信道的角度特征参数的估计值，根据此参 数的区间位置，根据映射关系可以解调出发送端发送的N比特数据。 本申请提供的另一种实施方式为：所述合法接收者端的接收信号为 其中， 为下行主信道向量gr的共轭转置，归一化训练矩阵SSH为τ×L的矩阵，参 数τ满足μ＜τ＜＜M，归一化训练矩阵整体满足SSH的迹不超过τ，其他参数变量与前文定义 相同。 本申请提供的另一种实施方式为：所述参数φ0取决于当前需要发送的比特数据， 具体确定方式如下： 对于时分双工和频分双工系统，假设上行电磁波波长为λ1，下行电磁波波长为λ2， 根据径的角度互易性，发送者可以得出下行主信道的角度特征参数的估计值： 假设上下行主信道的DOA范围为[θr-Δθr,θr Δθr]，对应的下行主信道角度特征 参数的范围为 假设单次传输需要发送N比特数据，则 需要根据角度特征参数的范围均匀划分出K＝2N个区间；参数φ0满足：将下行主信道进行参 数为φ0的空间旋转，旋转后的下行主信道的角度特征参数估计值 正好位于当前发送数 据对应的区间的中心。 本申请提供的另一种实施方式为：所述下行主信道的估计值如下： 其中， 表示矩阵SH的伪逆矩阵。 7 CN 111614387 A 说　明　书 4/8 页 本申请提供的另一种实施方式为：所述稀疏估计值为： 其中，根据角度互易性可知， 是一个包含了 个以 为中心的整数的集 合。 3.有益效果 与现有技术相比，本申请提供的一种大规模天线系统中的安全传输方法的有益效 果在于： 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，为一种大规模天线系统中基于 特征互易的大规模天线系统中的安全传输方法。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，利用大规模MIMO系统中上下行 信道的角度互易性，提出了一种新的基于特征互易的安全传输方案。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，信道模型采用一种典型的低秩 信道模型，其根据入射径的平均DOA(Direction  of  Arrivals ,波达方向)和AS(Angle  Spread，角度扩展)建模。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，根据径的角度互易性，本申请 提出了一种多径信道角度特征提取方法，利用单径的互易性实现了多径的特征互易，从而 保证了只有合法接收者能够正确提取出发送者的信息，在多场景下皆能保证安全传输。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，克服现有技术的缺陷，利用径 物理上的上下行角度互易性提取出信道的角度特征参数互易性，根据发送的数据对信道进 行一定角度的空间旋转，保证合法接收者能根据下行信道提取出期望的数据值，无需获知 窃听者的信道即可保证安全传输。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，安全传输性能不受窃听者位 置、信道质量、天线数量等参数的影响，适用于大规模天线系统下多场景的安全传输。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，基于上下行信道角度特征参数 的提取，相比于传统波束成形技术，随着天线数量增加，无需进行复杂的波束设计，系统整 体复杂度不会显著增加，实现相对容易。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，安全传输建立在上下行主信道 每条径的波达角和复增益的一致性。只要窃听者和合法接收者相隔了若干波长的距离，窃 听成功可能性几乎为零。这个安全传输前提在毫米波波段是容易实现的。因此发送者无需 获知窃听信道的信道状态信息。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，适用于在一个相干时间内传输 比特级关键参数。整体传输速率不建立在信息论中安全容量理论上，因此在窃听端任意增 加天线数量不会影响安全性能。 本申请提供的大规模天线系统中的安全传输方法，克服了已有的传统物理层安全 传输方案在大规模MIMO场景下应用的局限性，在窃听者和合法接收者位置特别接近的场景 安全性能不受影响，为安全传输方案设计提供了新思路。 8 CN 111614387 A 说　明　书 5/8 页 附图说明 图1是本申请的大规模MIMO系统单天线单窃听者模型示意图； 图2是本申请在不同的比特数据速率下安全传输性能比较图； 图3是本申请在不同的信道稀疏程度下安全传输性能比较图。