[發明專利]多波束衛星通信魯棒波束成形方法、裝置及其存儲介質

有效

• 申請號: 202010935014.8
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112202486B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 林敏;顧晨偉;解路瑤;趙柏;歐陽鍵
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 錢玲玲

1.一種基于安全能效最大化準則的多波束衛星通信魯棒波束成形方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、初始化衛星參數，所述衛星參數包括衛星的最大發射功率和衛星通信系統的系統安全速率門限；

步驟2、根據衛星參數獲取安全能效最大化的目標優化函數；

步驟3、利用輔助變量和Dinkelbach算法將目標優化函數轉換為等效凸差規劃問題；

步驟4、利用罰函數法和凹凸過程方法將凸差規劃問題轉換為凸優化問題；

步驟5、利用迭代算法和特征值分解處理凸優化問題，獲得魯棒波束成形權矢量；

所述步驟2的具體操作如下：

在已知竊聽者所處區域的情況下，設第k個竊聽者信道的不確定模型Δ_k為：

Δ_k＝{h_k|x_k∈[x_k,L,x_k,U],y_k∈[y_k,L,y_k,U]}

其中，x_k為第k個竊聽者的位置橫坐標，x_k,L為第k個竊聽者位置橫坐標的下界，x_k,U為第k個竊聽者位置橫坐標的上界，y_k為第k個竊聽者的位置縱坐標，y_k,L為第k個竊聽者位置縱坐標的下界，y_k,U為第k個竊聽者位置縱坐標的上界，k＝1,2,…,K，K為竊聽者總數；

利用衛星參數設置約束條件，所述約束條件為：衛星總發射功率不超過最大發射功率，系統安全速率不低于系統安全速率門限；

根據約束條件獲取安全能效最大化的目標優化函數，具體公式如下：

其中，w為魯棒波束成形權矢量，η表示系統安全能效，R_s表示系統安全速率，表示系統安全速率門限，P_T表示衛星總發射功率，表示最大發射功率；

步驟2中系統安全速率R_s的計算公式如下：

其中，γ_u表示合法用戶處的輸出信噪比，γ_k表示第k個竊聽者處的輸出信噪比，h_u表示衛星通信系統中衛星與合法用戶之間的信道矢量，h_k表示衛星通信系統中衛星與第k個竊聽者之間的信道矢量，表示合法用戶處的噪聲功率，表示第k個竊聽者處的噪聲功率；

步驟2中系統安全能效η的計算公式如下：

其中，P_C表示衛星發射端的電路功耗；

根據系統安全速率R_s的計算公式和系統安全能效η的計算公式，將目標優化函數細化為：

步驟3的具體操作如下：

步驟301、將第k個竊聽者信道的不確定模型Δ_k轉換為：

其中，μ_k,i為加權系數，H_k,i為Δ_k中的第i個離散元素，i＝1,2,…,M_k，M_k為離散樣本總個數；

步驟302、利用輔助變量β和Dinkelbach算法將目標優化函數轉換為凸差規劃問題，具體表示為：

Rank(W)＝1

其中，Tr(·)表示矩陣求跡運算，W＝ww^H；

步驟4的具體操作如下：

步驟401、設Rank(W)＝1與Tr(W)＝λ_max(W)等價，其中，λ_max(W)表示矩陣W的最大特征值；

步驟402、引入懲罰因子ζ，對凸差規劃問題進行進一步轉換：

步驟403、令g(W,β)＝log₂β-ζλ_max(W)；

步驟404、利用g(W,Wⁿ,β,βⁿ)作為估計值逼近函數g(W,β)，獲得如下表達：

其中，g(W,Wⁿ,β,βⁿ)表示g(W,β)在點(Wⁿ,βⁿ)附近的一階泰勒展開，n為自然數，u_max為矩陣Wⁿ的最大特征值對應的特征向量；

步驟405、根據f(W,η)和g(W,β)，將步驟402中的凸差規劃問題轉換為凸優化問題，具體表示如下：

步驟5中魯棒波束成形權矢量的計算公式如下：

其中，W^l表示迭代算法中第l次迭代輸出的W。