[發明專利]星地集成網絡中基于安全能效的波束設計方法

有效

• 申請號: 202011228517.8
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112290995B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 郝萬明;趙飛;孫鋼燦
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B7/0413
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明提出了一種星地集成網絡中基于安全能效的波束設計方法，用于解決現有星地集成網絡下行鏈路的系統安全能效較低的技術問題。其步驟為：首先，采用模擬預編碼形成高增益的方向性波束，其次設計數字預編碼消除用戶間干擾，最后，提出一個發射功率和功率分裂系數的聯合優化問題，其目標是最大化系統的安全能效，同時滿足每個用戶的服務質量約束，衛星地面站的干擾限制和基站的功耗限制；為求解該問題，提出了一種基于Dinkelbach和連續凸逼近SCA的迭代算法獲得問題的解，提高了系統安全傳輸速率的收斂效率。本發明在地面網絡中采用毫米波大規模MIMO?NOMA系統結合SWIPT技術，基站向多個用戶提供服務并保護衛星地面站免受干擾。

技術領域

本發明涉及通信網絡傳輸的安全能效技術領域，特別是指一種星地集成網絡中基于安全能效的波束設計方法。

背景技術

衛星通信網絡和地面5G網絡的融合被認為是一種很有前景的異構網絡架構，兩者共同構成全球無縫覆蓋的綜合通信網，是未來通信發展的重要方向。5G網絡中，毫米波、大規模多輸入多輸出(MIMO，multiple input multiple output)和非正交多址接入(NOMA，non-orthogonal multiple access)等技術的應用能夠顯著提升5G網絡的系統容量和數據速率。雖然星地集成網絡具有很寶貴的頻譜資源，但部分毫米波頻段已分配給了固定衛星服務(FSS，fixed satellite services)Ka頻段，頻譜共享帶來的干擾問題也亟待解決。另外由于高頻毫米波較嚴重的衰減，系統需配備大量的天線和射頻鏈以提高信號的傳輸距離。但是數量龐大的天線和射頻鏈又會導致巨大的系統功耗，面對這一問題，基于混合預編碼的波束成形能夠充分利用多天線提供的空間自由度，以犧牲較小的傳輸速率大幅減少系統射頻鏈的數量，從而提升系統能效。

面對電池驅動的智能無線設備的普及，有限的能源存儲能力成為未來無線網絡的另一個瓶頸。無線攜能通信(SWIPT，simultaneous wireless information and powertransfer)技術近年來受到廣泛關注，該技術通過接收端裝備功率分裂器，對信號中的能量和信息分別進行提取，從而延長能量受限設備的使用壽命。然而，由于無線信道的開放性，本應給信息接收者的保密信息也會被能量接收者接收到，從而造成潛在的信息泄漏。因此，使用SWIPT技術同時保證系統的安全性是目前研究的熱點問題。

另外，由于覆蓋范圍的廣闊和開放，衛星通信的傳輸安全面臨著越來越嚴峻的挑戰。如何最大限度地減少衛星通信終端與地面5G網絡之間的干擾，同時保證其傳輸質量、系統能效和安全要求，對實現星地集成網絡高效安全的傳輸起著重要的作用。與傳統的加密技術不同，物理層安全(PLS，physical layer security)利用物理層傳輸介質的隨機特性，如無線信道的衰落、噪聲和干擾等實現信息傳輸的安全性。另外，在保證物理層安全前提下如何提高系統能效也成為了最近研究的熱點問題。在此背景下，考慮了共享同一毫米波頻段的衛星通信終端和地面5G網絡集成系統的下行通信，在功率和傳輸質量約束下，研究系統的安全能效(SEE，secure energy efficiency)最大化問題。