一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110912597A(43)申请公布日2020.03.24(21)申请号201911080284.9H04B7/185(2006.01)(22)申请日2019.11.07H04W12/12(2009.01)(71)申请人南京邮电大学地址210012江苏省南京市雨花台区西春路1号(72)发明人林敏淡振雷孔槐聪袁祖霞朱圣祥欧阳键(74)专利代理机构南京纵横知识产权代理有限公司32224代理人董建林(51)Int.Cl.H04B7/06(2006.01)H04W52/24(2009.01)H04W52/26(2009.01)H04W52/42(2009.01)权利要求书6页说明书11页附图3页(54)发明名称一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法(57)摘要本发明公开一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，包括以下步骤：步骤a，建立卫星通信网和地面蜂窝网频谱共享条件下的星地融合认知网络；步骤b，设定星地融合认知网络中次级用户信干噪比门限Γs，窃听用户信干噪比max限制Γe，基站最大发射功率P以及基站对主用户的最大干扰功率步骤c，建立次级用户可达安全速率最大化和基站发射功率最小化两个优化问题；步骤d，采用加权切比雪夫的方法，建立一个多目标优化问题；步骤e，采用连续凸估计、泰勒级数展开和内点法求解基站的发射波束成形权矢量以及施加的人工噪声矢量。本发明提供的一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，能够实现可达安全速率最大化与基站发射功率最小化问题之间的折中，从而有效提升星地CN110912597A融合认知网络的物理层安全传输性能。CN110912597A权利要求书1/6页1.一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤a，建立星地融合认知网络，包括通信卫星和地面主用户构成的主网络，以及一个基站，一个次级用户和K个窃听者构成的次级网络，主网络和次级网络实现频谱共享；步骤b，设定星地融合认知网络中次级用户信干噪比门限Γs，窃听用户信干噪比限制maxΓe，基站最大发射功率P以及基站对主用户的最大干扰功率步骤c，以次级用户信干噪比不小于门限，窃听用户信干噪比低于限制，基站最大发射功率以及基站对主用户的干扰功率受限为约束条件，分别建立次级用户可达安全速率最大化和基站发射功率最小化两个优化问题；步骤d，采用加权切比雪夫的方法，同时考虑次级用户可达安全速率最大化和基站发射功率最小化，建立一个多目标优化问题；步骤e，利用连续凸估计和泰勒级数展开的方法将原始的非凸问题转化为凸优化问题，采用内点法求解基站的发射波束成形权矢量以及施加的人工噪声矢量。2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，其特征在于：步骤a中，次级网络的基站采用人工噪声技术提升系统的安全性能，此时基站的发射信号为：x＝ws1+v(1)其中s1为基站发送给次级用户的私密信号；为基站发射波束成形权矢量；为人工噪声矢量，其中表示复数域的N维列矢量；假设人工噪声矢量v服从零均值的复高斯分布，且与权矢量w相互独立，则基站发射功率为：HHPB＝ww+vv(2)考虑到主网络和次级网络频谱共享，则次级用户接收到的信号为：其中hs为基站到次级用户的信道矢量；P2为卫星发射功率；s2为卫星发送给主用户的信号；gs为卫星到次级用户的信道系数；ns为次级用户均值为0，方差为的加性高斯白噪声；同时，K个地面窃听者窃听基站的发送信号，则第i个窃听者所接收的信号为：其中表示基站到第i个窃听者的信道矢量；为卫星到第i个窃听者的信道系数；为第i个窃听者均值为0，方差为的加性高斯白噪声；则次级用户和第i个窃听者的输出信干噪比为：2CN110912597A权利要求书2/6页主用户受到基站的干扰，则主用户接收到的信号为：其中gp为卫星到主用户的信道系数；hp为基站到主用户的信道矢量；np为主用户均值为0，方差为的加性高斯白噪声，则主用户接收到来自基站的干扰功率为：HHIp＝wHpw+vHpv(8)其中为基站到主用户的信道协方差矩阵。3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，其特征在于：步骤c中，次级用户的可达安全速率Cs为：+其中[x]表示取正数；Hs和分别为基站到次级用户和基站到第i个窃听者的信道协方差矩阵。4.根据权利要求3所述的一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法，其特征在于：步骤c中，基站的下行链路采用基于用户角度不确定的信道模型，即其中L为基站至用户的非直达径数目；ρ0和ρl分别表示直达径和第l条非直达径的衰落系数；θ0和θl是直达径和第l条非直达径的到达角，并且在基站配置了均匀线性阵列的情况下，α(θ0)和α(θl)可以统一表示为其中de表示天线阵相邻单元之