[發明專利]衛星通信多播信號傳輸方式下波束成形方法和系統有效
| 申請號： | 202110405808.8 | 申請日： | 2021-04-15 |
| 公開（公告）號： | CN113179113B | 公開（公告）日： | 2022-12-09 |
| 發明（設計）人： | 林敏;張健;趙柏;淡振雷;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;H04B7/06;H04B17/391 |
| 代理公司： | 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224 | 代理人： | 朱遠楓 |
| 地址： | 210003 江蘇*** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 衛星通信 信號 傳輸 方式 波束 成形 方法 系統 | ||
1.一種衛星通信多播傳輸方式下波束成形方法，其特征在于，包括：
以最小化衛星發射功率為目標，每個合法用戶的安全速率不低于預設門限為約束建立優化模型；
對所述優化模型進行迭代求解獲得波束成形權矢量；
衛星利用計算出的波束成形權矢量對要發送的多播信號進行波束成形，完成多播信號的安全傳輸；
所述優化模型表示為：
其中，衛星發射功率用波束成形權矢量w表示，k表示合法用戶的序號，k＝1···K，K表示合法用戶的數量；l表示竊聽者的序號，l＝1···L，L表示竊聽者的數量，hk表示衛星與合法用戶之間的完美信道狀態信息，表示合法用戶的加性高斯白噪聲的方差，為竊聽者的加性高斯白噪聲的方差，gl表示第l個竊聽者信道狀態信息，Gl表示第l個竊聽者誤差信道的范圍，表示第k個合法用戶的安全速率門限值，(·)H表示矢量的共軛轉置；
第l個竊聽者信道狀態信息表示為：
其中Fl＝1/εI決定了信道誤差的大小，ε信道誤差的大小，I為單位矩陣，為衛星與竊聽者之間的非完美信道狀態信息；
求解所述優化模型時將所述優化模型拆分成兩個子問題分別進行求解，通過求解第一子問題獲得波束成形權矢量w，然后將該權矢量代入第二子問題求解最差信道；判斷最差信道下用戶的安全速率是否滿足安全速率門限值約束；如果滿足，此時的波束成形權矢量w即為魯棒波束成形最優權矢量；反之，將第二子問題求解結果中最差信道帶入第一子問題重新迭代求解波束成形權矢量w；
第一子問題表示為：
第二子問題表示為：
利用半正定規劃和罰函數相結合的方法將第一子問題轉化為凸優化問題進行迭代求解獲得波束成形權矢量w，轉化后的凸優化問題表示如下：
其中Tr(·)表示矩陣的跡，W＝wwH，ρ為懲罰因子，σk表示合法用戶的加性高斯白噪聲的標準差，σl為竊聽者的加性高斯白噪聲的標準差，W(t)為第t次迭代的值，表示矩陣W(t)最大特征值對應的特征向量；
將波束成形權矢量w代入誤差信道并將第二子問題簡化后采用S-procedure將第二子問題轉化為對偶問題，求解該對偶問題獲得對偶變量和最優的拉格朗日乘子，所述對偶問題表示為：
其中，μl為對偶變量，λl為拉格朗日乘子，
利用工具包求解上述問題，獲得最優的對偶變量和最優的拉格朗日乘子
用拉格朗日乘子法求解原問題，代入獲得最差信道為：
2.一種衛星通信多播傳輸方式下波束成形系統，其特征在于，包括優化模型建立模塊、安全波束成形權矢量確定模塊以及發送模塊；
所述優化模型建立模塊，用于以最小化衛星發射功率為目標，每個合法用戶的安全速率不低于預設門限為約束建立優化模型；
所述安全波束成形權矢量確定模塊，用于對所述優化模型進行迭代求解獲得波束成形權矢量；
所述發送模塊，用于衛星利用計算出的波束成形權矢量對要發送的多播信號進行波束成形，完成多播信號的安全傳輸；
所述優化模型表示為：
其中，衛星發射功率用波束成形權矢量w表示，k表示合法用戶的序號，k＝1···K，K表示合法用戶的數量；l表示竊聽者的序號，l＝1···L，L表示竊聽者的數量，hk表示衛星與合法用戶之間的完美信道狀態信息，表示合法用戶的加性高斯白噪聲的方差，為竊聽者的加性高斯白噪聲的方差，gl表示第l個竊聽者信道狀態信息，Gl表示第l個竊聽者誤差信道的范圍，表示第k個合法用戶的安全速率門限值，(·)H表示矢量的共軛轉置；
第l個竊聽者信道狀態信息表示為：
gl∈Gl
其中Fl＝1/εI決定了信道誤差的大小，ε信道誤差的大小，I為單位矩陣，為衛星與竊聽者之間的非完美信道狀態信息；
求解所述優化模型時將所述優化模型拆分成兩個子問題分別進行求解，通過求解第一子問題獲得波束成形權矢量w，然后將該權矢量代入第二子問題求解最差信道；判斷最差信道下用戶的安全速率是否滿足安全速率門限值約束；如果滿足，此時的波束成形權矢量w即為魯棒波束成形最優權矢量；反之，將第二子問題求解結果中最差信道帶入第一子問題重新迭代求解波束成形權矢量w；
第一子問題表示為：
第二子問題表示為：
利用半正定規劃和罰函數相結合的方法將第一子問題轉化為凸優化問題進行迭代求解獲得波束成形權矢量w，轉化后的凸優化問題表示如下：
其中Tr(·)表示矩陣的跡，W＝wwH，ρ為懲罰因子，σk表示合法用戶的加性高斯白噪聲的標準差，σl為竊聽者的加性高斯白噪聲的標準差，W(t)為第t次迭代的值，表示矩陣W(t)最大特征值對應的特征向量；
將波束成形權矢量w代入誤差信道并將第二子問題簡化后采用S-procedure將第二子問題轉化為對偶問題，求解該對偶問題獲得對偶變量和最優的拉格朗日乘子，所述對偶問題表示為：
其中，μl為對偶變量，λl為拉格朗日乘子，
利用工具包求解上述問題，獲得最優的對偶變量和最優的拉格朗日乘子
用拉格朗日乘子法求解原問題，代入獲得最差信道為：
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