具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器终端设备和/或微控制器终端设备中实现这些功能实体。

图1示出了可以应用本公开实施例的数据传输方法的一种应用场景的示意图。

参考图1，本公开实施例提供的数据传输方法可以应用于MIMO(multiple-inmultipleout，多入多出)场景中，可以采用信号传输一般模型，在基站侧配置N_t根天线和N_RF根射频链路(其中N_RF≤N_t)，在相同时频资源块上服务K个单天线合法用户U₁、U₂……U_k。在窃听用户侧(Eve)配置N_e根天线用于窃取合法用户的数据信息。本公开实施例中，假设合法用户位置已知，基站仅需估计窃听用户的位置。

相较于传统多天线技术，大规模MIMO基站端配置有大量天线使主信道与窃听信道间的差异性和独立性以及无线信道自身的随机性显著增强，更利于实现物理层安全通信。

本公开实施例中，使用5G无线网络传输场景下的大规模MIMO技术与物理层安全技术相结合的安全传输机制来抵御5G网络中的安全威胁，进而形成可靠的安全防御，并提出一种基于位置信息的有限射频(radio frequency，RF)链路大规模MIMO物理层安全传输方法。

下面，将结合附图及实施例对本公开示例实施例中的数据传输方法的各个步骤进行更详细的说明。

图2是根据一示例性实施方式示出的一种数据传输方法的流程图。本公开实施例提供的方法可以由基站执行，但本公开并不限定于此。

如图2所示，本公开实施例提供的数据传输方法可以包括以下步骤。

在步骤S202中，接收合法用户发送的导频信号。

本公开实施例中，合法用户可以向基站发送导频信号，基站可以接收合法用户发送的导频信号，根据导频信号进行信道估计，以获得信号状态信息。

在步骤S204中，根据导频信号进行信道估计，获得信道状态信息。

本公开实施例中，令基站与合法用户、基站与窃听用户间的信道分别用G和E表示，则：

其中，表示小尺度衰落，D_C＝ξI_C大尺度衰落矩阵，ξ为大尺度衰落因子，I_C为单位矩阵。

在大规模MIMO中，由于基站侧配置大规模天线及各个无线信道较短的相干间隔，因此在用户节点上估计下行链路信道是不可行的。本公开实施例基于时分双工(Timedivision duplexing,TDD)模式，通过合法用户向基站发送导频信号，基站根据接收到的信号来进行信道估计，然后利用信道互易性，获得下行信道状态信息。

在示例性实施例中，根据合法用户发送的导频信号，确定基站与合法用户信道的最小均方误差估计。

基站与合法用户信道G的最小均方误差估计(minimum mean square error，MMSE)可以表示为：

其中，P_p＝T_pP_u，T_p为导频传输间隔，P_u为导频发射功率，I_K为单位矩阵，N_G为高斯白噪声矩阵。利用MMSE的正交特性，基站与合法用户信道G可以表示为：

其中，且Ψ_G为估计偏差，为第k个用户的大尺度衰落因子。

在步骤S206中，对信道状态信息进行混合预编码，获得混合预编码矩阵。

本公开实施例中，混合预编码可以包括模拟域预编码和数字域预编码，其中，模拟域预编码可以从估计的信道状态信息中提取相位，数字域预编码可以利用估计的信道状态信息来设计数字域预编码。

对信道状态信息进行混合预编码，可以提高合法用户的数据传输速率。

在示例性实施例中，根据基站与合法用户信道的最小均方差误差估计的共轭矩阵，确定模拟域预编码矩阵；根据基站与合法用户的最小均方误差估计，确定数字域预编码矩阵；根据模拟域预编码矩阵和数字域预编码矩阵，确定混合域预编码矩阵。

其中，模拟域预编码仅只能调节相位，即模拟域编码器的每个元素的生成可以通过模拟相位转化器来实现。

本公开实施例中，模拟域编码矩阵F_RF可以从上行估计信道的共轭矩阵中提取，那么F_RF的相位元素可以表示为：

其中，δ为量常数，φ_rand～U[-π，π)服从均匀分布，可以表示为

其中，n为小于K的参数，θ_m，n为提取的相位元素。

在数字域预编码中，本公开实施例引入破零(Zero Forcing，ZF)预编码算法，根据基站估计的信道状态信息，数字域预编码矩阵可以表示为：

其中，β为功率归一化因子，可以表示为：

那么，模拟域与数字域混合预编码可以表示为：

在步骤S208中，基于零空间的人工辅助噪声序列对信道状态信息进行预编码，获得人工噪声预编码矩阵。

本公开实施例中，基于零空间的人工辅助噪声序列对信道状态信息进行预编码，可以将噪声信息发送到合法用户信道零空间中，在不干扰合法用户的情况下，降低窃听用户接收到数据的概率，保证基站与合法用户间数据的安全传输。

在示例性实施例中，根据基站与合法用户信道的最小均方差误差估计，确定基站与合法用户的零空间矩阵；根据基站与合法用户的零空间矩阵，确定人工噪声预编码矩阵。

人工辅助噪声序列预编码设计遵循零空间法则，那么基站发送给用户的数据信息泄漏到非法用户的可能性最小。

基于零空间的人工辅助噪声序列预编码可以表示为：

其中，基站与合法用户的零空间矩阵为

在步骤S210中，使用混合预编码矩阵和人工噪声预编码矩阵进行数据传输。

本公开实施例中，基站可以使用混合预编码矩阵和人工噪声预编码矩阵对待传输数据进行预编码，将预编码后的待传输数据发送。

本公开实施例提供的数据传输方法，使用混合预编码矩阵和人工噪声预编码矩阵对待传输数据进行预编码，将预编码后的待传输数据发送至合法用户，使用混合预编码可以提高数据的传输速率，使用人工噪声预编码可以使合发用户接收到的数据不受干扰，且可以降低窃听用户接收到数据的概率，保证基站与合法用户间数据的安全传输。

图3是根据一示例性实施方式示出的另一种数据传输方法的流程图。

如图3所示，本公开实施例提供的数据传输方法可以包括以下步骤。

在步骤S302中，基于TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)确定窃听用户的估计位置。

在示例性实施例中，获取N个锚定点的实际位置，其中，N为大于1的整数；获取N个锚定点与目标锚定点之间的到达时间差，目标锚定点为N个锚定点其中一个；根据N个锚定点的实际位置和N个锚定点与目标锚定点之间的到达时间差，确定窃听用户的估计位置。

例如，N个锚定点可以向窃听用户发送信号，窃听用户在接收到信号之后向N个锚定点返回响应，根据N个锚定点与第一个锚定点之间的响应的到达时间差、以及N个锚定点的实际位置可以确定出窃听用户的估计位置。

本公开实施例中，假设系统内有N个锚定点用以窃听用户辅助定位。令窃听用户真实位置信息表示为ζ₀＝[x₀，y₀]，第n个锚定点位置信息表示为v_n＝[x_n，y_n]。令φ_n表示第n个锚定点相对于锚定点1处的时间差，那么φ_n的分布可以表示为

其中，c为光速，为时间控制方差，d_n为第个锚定点与窃听者间的距离，可以表示为：

令TDOA的费雪(Fisher)矩阵可以表示为：

其中，

那么，窃听用户真实位置的协方差矩阵可以表示为V_pos＝J(φ_n)^-1，令

其中，σ_xy＝σ_yx。

令v_e＝[x_e，y_e]表示为窃听用户的估计位置，相关系数可以表示为ρ＝σ_xy/(σ_xσ_y)，假设要确定参数的似然函数在真实值附近为高斯分布，则窃听者所在位置的分布可以表示为

一般情况下，为了更好的窃取合法用户的数据，窃听用户一般位于合法用户附近，根据窃听用户所在位置的分布可以估计出窃听用户的位置信息。

在步骤S304中，根据窃听用户的估计位置，确定窃听用户接收的信号强度。

根据窃听用户的估计位置，窃听用户处接收到的信号强度可以表示为：

其中，P_s为从基站侧接收到的信号功率，d₀为参考距离，为基站与窃听用户的估计距离，η为路径损耗指数。

在步骤S306中，根据合法用户的实际位置，确定合法用户接收的信号强度。

合法用户与基站间的接收信号强度可以表示为：

其中，d_SD为基站与目的节点(即合法用户)的实际距离。

在步骤S308中，根据合法用户接收的信号强度确定合法用户的可达速率。

本公开实施例中，下行信道中第k个用户接收到的信号可以表示为

其中，为第k个用户的混合预编码向量，为相干噪声，可以表示为

其中，n_k为第k个用户接收到的高斯白噪声，z_n为人工辅助噪声向量，为发给第k个用户的数据信息，P_n为基站发送噪声功率。

根据公式(20)，第k个用户的可达速率可以表示为

其中，T_p为上行训练时间，T_c为相干时间，为干扰项，具有以下形式：

在步骤S310中，根据窃听用户接收的信号强度确定窃听用户的窃听用户速率。

本公开实施例中，窃听用户速率可以表示为：

其中，e_k为第k个窃听用户信道，与均为高斯白噪声方差。

在步骤S312中，根据合法用户的可达速率和窃听用户的窃听用户速率确定合法用户的安全可达速率。

根据公式(22)和公式(24)，第k个用户的安全可达速率可以表示为

其中，[λ]⁺＝max(0，λ)。

本公开实施例中，合法用户的安全可达速率越大，说明数据传输的安全性越高。

本公开实施例提供的数据传输方法，可以根据到达时间差TDOA算法可以更准确地获得窃听用户的估计位置，根据窃听用户的估计位置可以更准确地评估安全可达速率。

下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。对于本公开装置实施例中未披露的细节，请参照本公开方法实施例。

图4是根据一示例性实施方式示出的一种数据传输装置的框图。

如图4所示，数据传输装置400可以包括：导频信号接收模块402、信道状态信息获得模块404、混合预编码矩阵获得模块406、人工噪声预编码矩阵获得模块408和数据传输模块410。

其中，导频信号接收模块402用于接收合法用户发送的导频信号；信道状态信息获得模块404用于根据所述导频信号进行信道估计，获得信道状态信息；混合预编码矩阵获得模块406用于对所述信道状态信息进行混合预编码，获得混合预编码矩阵；人工噪声预编码矩阵获得模块408用于基于零空间的人工辅助噪声序列对所述信道状态信息进行预编码，获得人工噪声预编码矩阵；数据传输模块410用于使用所述混合预编码矩阵和所述人工噪声预编码矩阵进行数据传输。

在本公开一些示例性实施例中，上述装置还包括：位置确定模块，用于基于到达时间差TDOA确定窃听用户的估计位置；第一信号强度确定模块，用于根据所述窃听用户的估计位置，确定所述窃听用户接收的信号强度；第二信号强度确定模块，用于根据合法用户的实际位置，确定所述合法用户接收的信号强度。

在本公开一些示例性实施例中，上述装置还包括：第一速率确定模块，用于根据所述合法用户接收的信号强度确定所述合法用户的可达速率；第二速率确定模块，用于根据所述窃听用户接收的信号强度确定所述窃听用户的窃听用户速率；第三速率确定模块，用于根据所述合法用户的可达速率和所述窃听用户的窃听用户速率确定所述合法用户的安全可达速率。

在本公开一些示例性实施例中，位置确定模块包括：位置获取单元，用于获取N个锚定点的实际位置，其中，N为大于1的整数；达到时间差获取单元，用于获取所述N个锚定点与目标锚定点之间的到达时间差，所述目标锚定点为所述N个锚定点其中一个；估计位置确定单元，用于根据所述N个锚定点的实际位置和所述N个锚定点与目标锚定点之间的到达时间差，确定窃听用户的估计位置。

在本公开一些示例性实施例中，信道状态信息获得模块包括：最小均方误差估计确定单元，用于根据所述合法用户发送的导频信号，确定基站与合法用户信道的最小均方误差估计。

在本公开一些示例性实施例中，混合预编码矩阵获得模块包括：模拟域预编码矩阵确定单元，用于根据所述基站与合法用户信道的最小均方差误差估计的共轭矩阵，确定模拟域预编码矩阵；数字域预编码矩阵确定单元，用于根据所述基站与合法用户的最小均方误差估计，确定数字域预编码矩阵；混合预编码矩阵确定单元，用于根据所述模拟域预编码矩阵和所述数字域预编码矩阵，确定混合域预编码矩阵。

在本公开一些示例性实施例中，人工噪声预编码矩阵获得模块包括：零空间矩阵确定单元，用于根据所述基站与合法用户信道的最小均方差误差估计，确定所述基站与合法用户的零空间矩阵；人工噪声预编码矩阵确定单元，用于根据所述基站与合法用户的零空间矩阵，确定人工噪声预编码矩阵。

需要注意的是，上述附图中所示的框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器终端设备和/或微控制器终端设备中实现这些功能实体。

图5是根据一示例性实施方式示出的一种电子设备的结构示意图。需要说明的是，图5示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图5所示，电子设备500包括中央处理单元(CPU)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM503中，还存储有系统500操作所需的各种程序和数据。CPU501、ROM502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

以下部件连接至I/O接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)501执行时，执行本公开的系统中限定的上述功能。

需要说明的是，本公开所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、终端设备或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、终端设备或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、终端设备或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括发送单元、获取单元、确定单元和第一处理单元。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，发送单元还可以被描述为“向所连接的服务端发送图片获取请求的单元”。

作为另一方面，本公开还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该设备包括：接收合法用户发送的导频信号；根据所述导频信号进行信道估计，获得信道状态信息；对所述信道状态信息进行混合预编码，获得混合预编码矩阵；基于零空间的人工辅助噪声序列对所述信道状态信息进行预编码，获得人工噪声预编码矩阵；使用所述混合预编码矩阵和所述人工噪声预编码矩阵进行数据传输。

以上具体地示出和描述了本公开示例性实施方式。可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。