[發(fā)明專利]多波束衛(wèi)星通信魯棒波束成形方法、裝置及其存儲介質(zhì)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010935014.8
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112202486B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林敏;顧晨偉;解路瑤;趙柏;歐陽鍵
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 錢玲玲

本發(fā)明公開了無線通信安全領(lǐng)域的一種多波束衛(wèi)星通信魯棒波束成形方法、裝置及其存儲介質(zhì)，旨在解決衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全性和能效不足的技術(shù)問題。其包括：初始化衛(wèi)星的最大發(fā)射功率和系統(tǒng)安全速率門限；根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)獲取安全能效最大化的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；利用輔助變量和Dinkelbach算法將目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)換為等效凸差規(guī)劃問題；利用罰函數(shù)法和凹凸過程方法將凸差規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題；利用迭代算法和特征值分解處理凸優(yōu)化問題，獲得魯棒波束成形權(quán)矢量。本發(fā)明對竊聽者的竊聽具有更好的抑制效果，能夠很好地實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全性與能量消耗之間的折中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多波束衛(wèi)星通信魯棒波束成形方法、裝置及其存儲介質(zhì)，屬于無線通信物理層安全技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

衛(wèi)星通信的廣域覆蓋特性和衛(wèi)星信道的廣播特性，使得通信衛(wèi)星發(fā)送給合法用戶的私密信息很容易被覆蓋區(qū)域內(nèi)的非法用戶竊聽，隨著衛(wèi)星通信的高速發(fā)展，衛(wèi)星通信的安全問題日益凸顯。波束成形技術(shù)作為實現(xiàn)無線通信物理層安全的一種有效手段，它既可以增強合法用戶接收的信號強度，又能夠有效降低被竊聽者接收的信號強度。與此同時，數(shù)據(jù)流量和能源成本的增長使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)的能量效率問題也受到人們越來越多的關(guān)注，在能源有限和安全通信背景下，提升系統(tǒng)的安全性和能效成為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計必須要考慮的重要因素。

在實際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于竊聽者通常不是系統(tǒng)內(nèi)的合法用戶，因而衛(wèi)星無法獲取其完美的信道狀態(tài)信息。在考慮到獲取的信道狀態(tài)信息存在誤差的情況下，魯棒波束成形方法相比于非魯棒波束成形方法對竊聽者的竊聽具有更好的抑制效果，系統(tǒng)能夠獲得更高的安全性能。因此，基于不完美信道狀態(tài)信息的魯棒波束成形方法對衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計更具有參考意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高現(xiàn)有技術(shù)中衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全性和能效，本發(fā)明提出了一種多波束衛(wèi)星通信魯棒波束成形方法、裝置及其存儲介質(zhì)，在竊聽者信道狀態(tài)信息無法準(zhǔn)確獲知的情況下，通過優(yōu)化魯棒波束成形權(quán)矢量，實現(xiàn)系統(tǒng)安全能效最大化。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)手段：

第一方面，本發(fā)明提出了一種基于安全能效最大化準(zhǔn)則的多波束衛(wèi)星通信魯棒波束成形方法，具體包括如下步驟：

步驟1、初始化衛(wèi)星參數(shù)，所述衛(wèi)星參數(shù)包括衛(wèi)星的最大發(fā)射功率和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的系統(tǒng)安全速率門限；

步驟2、根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)獲取安全能效最大化的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；

步驟3、利用輔助變量和Dinkelbach算法將目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)換為等效凸差規(guī)劃問題；

步驟4、利用罰函數(shù)法和凹凸過程方法將凸差規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題；

步驟5、利用迭代算法和特征值分解處理凸優(yōu)化問題，獲得魯棒波束成形權(quán)矢量。

結(jié)合第一方面，進(jìn)一步的，所述步驟2的具體操作如下：

在已知竊聽者所處區(qū)域的情況下，設(shè)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]} (1)

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