多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了无线通信安全领域的一种多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质，旨在解决卫星通信系统的安全性和能效不足的技术问题。其包括：初始化卫星的最大发射功率和系统安全速率门限；根据卫星参数获取安全能效最大化的目标优化函数；利用辅助变量和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为等效凸差规划问题；利用罚函数法和凹凸过程方法将凸差规划问题转换为凸优化问题；利用迭代算法和特征值分解处理凸优化问题，获得鲁棒波束成形权矢量。本发明专利技术对窃听者的窃听具有更好的抑制效果，能够很好地实现卫星通信系统安全性与能量消耗之间的折中。

【技术实现步骤摘要】
多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质
本专利技术涉及一种多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质，属于无线通信物理层安全

技术介绍
卫星通信的广域覆盖特性和卫星信道的广播特性，使得通信卫星发送给合法用户的私密信息很容易被覆盖区域内的非法用户窃听，随着卫星通信的高速发展，卫星通信的安全问题日益凸显。波束成形技术作为实现无线通信物理层安全的一种有效手段，它既可以增强合法用户接收的信号强度，又能够有效降低被窃听者接收的信号强度。与此同时，数据流量和能源成本的增长使得卫星通信系统的能量效率问题也受到人们越来越多的关注，在能源有限和安全通信背景下，提升系统的安全性和能效成为未来卫星通信系统设计必须要考虑的重要因素。在实际的卫星通信系统中，由于窃听者通常不是系统内的合法用户，因而卫星无法获取其完美的信道状态信息。在考虑到获取的信道状态信息存在误差的情况下，鲁棒波束成形方法相比于非鲁棒波束成形方法对窃听者的窃听具有更好的抑制效果，系统能够获得更高的安全性能。因此，基于不完美信道状态信息的鲁棒波束成形方法对卫星通信系统设计更具有参考意义。
技术实现思路
为了提高现有技术中卫星通信系统的安全性和能效，本专利技术提出了一种多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质，在窃听者信道状态信息无法准确获知的情况下，通过优化鲁棒波束成形权矢量，实现系统安全能效最大化。为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术手段：第一方面，本专利技术提出了一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，具体包括如下步骤：步骤1、初始化卫星参数，所述卫星参数包括卫星的最大发射功率和卫星通信系统的系统安全速率门限；步骤2、根据卫星参数获取安全能效最大化的目标优化函数；步骤3、利用辅助变量和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为等效凸差规划问题；步骤4、利用罚函数法和凹凸过程方法将凸差规划问题转换为凸优化问题；步骤5、利用迭代算法和特征值分解处理凸优化问题，获得鲁棒波束成形权矢量。结合第一方面，进一步的，所述步骤2的具体操作如下：在已知窃听者所处区域的情况下，设第k个窃听者信道的不确定模型Δk为：Δk＝{hk|xk∈[xk,L,xk,U],yk∈[yk,L,yk,U]}(1)其中，xk为第k个窃听者的位置横坐标，xk,L为第k个窃听者位置横坐标的下界，xk,U为第k个窃听者位置横坐标的上界，yk为第k个窃听者的位置纵坐标，yk,L为第k个窃听者位置纵坐标的下界，yk,U为第k个窃听者位置纵坐标的上界，k＝1,2,…,K，K为窃听者总数；利用卫星参数设置约束条件，所述约束条件为：卫星总发射功率不超过最大发射功率，系统安全速率不低于系统安全速率门限；根据约束条件获取安全能效最大化的目标优化函数，具体公式如下：其中，w为鲁棒波束成形权矢量，η表示系统安全能效，Rs表示系统安全速率，表示系统安全速率门限，PT表示卫星总发射功率，表示最大发射功率。结合第一方面，进一步的，步骤2中系统安全速率Rs的计算公式如下：其中，γu表示合法用户处的输出信噪比，γk表示第k个窃听者处的输出信噪比，hu表示卫星通信系统中卫星与合法用户之间的信道矢量，hk表示卫星通信系统中卫星与第k个窃听者之间的信道矢量，表示合法用户处的噪声功率，表示第k个窃听者处的噪声功率；步骤2中系统安全能效η的计算公式如下：其中，PC表示卫星发射端的电路功耗；根据系统安全速率Rs的计算公式和系统安全能效η的计算公式，将目标优化函数细化为：结合第一方面，进一步的，步骤3的具体操作如下：步骤301、将第k个窃听者信道的不确定模型Δk转换为：其中，μk,i为加权系数，Hk,i为Δk中的第i个离散元素，i＝1,2,…,Mk，Mk为离散样本总个数；步骤302、利用辅助变量β和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为凸差规划问题，具体表示为：其中，Tr(·)表示矩阵求迹运算，W＝wwH；结合第一方面，进一步的，步骤4的具体操作如下：步骤401、设Rank(W)＝1与Tr(W)＝λmax(W)等价，其中，λmax(W)表示矩阵W的最大特征值；步骤402、引入惩罚因子ζ，对凸差规划问题进行进一步转换：步骤403、令g(W,β)＝log2β-ζλmax(W)；步骤404、利用g(W,Wn,β,βn)作为估计值逼近函数g(W,β)，获得如下表达：其中，g(W,Wn,β,βn)表示g(W,β)在点(Wn,βn)附近的一阶泰勒展开，n为自然数，umax为矩阵Wn的最大特征值对应的特征向量；步骤405、根据f(W,η)和g(W,β)，将步骤402中的凸差规划问题转换为凸优化问题，具体表示如下：结合第一方面，进一步的，步骤5中鲁棒波束成形权矢量的计算公式如下：其中，Wl表示迭代算法中第l次迭代输出的W。第二方面，本专利技术提出了一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形装置，所述装置包括：初始化模块：用于初始化卫星参数，所述卫星参数包括卫星的最大发射功率和卫星通信系统的系统安全速率门限；目标优化模块：用于根据卫星参数建立安全能效最大化的目标优化函数；函数转换模块：用于利用辅助变量和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为等效凸差规划问题，并利用罚函数法和凹凸过程方法将凸差规划问题转换为凸优化问题；迭代计算模块：用于利用迭代算法和特征值分解处理凸优化问题，获得鲁棒波束成形权矢量。第三方面，本专利技术提出了一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形装置，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行本专利技术第一方面所述方法的步骤。第四方面，本专利技术提出了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本专利技术第一方面所述方法的步骤。采用以上技术手段后可以获得以下优势：本专利技术提出了一种多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质，在窃听者信道状态信息无法准确获知的情况下，通过对卫星总发射功率和系统安全速率进行约束建立目标优化函数，再通过解决优化问题获得鲁棒波束成形权矢量，进而实现卫星通信系统安全能效最大化。与非鲁棒波束成形方法相比，本专利技术对窃听者的窃听具有更好的抑制效果，能够很好地实现卫星通信系统安全性与能量消耗之间的折中，为提升卫星通信系统的能效和安全性能提供了有效的参考。附图说明图1为本专利技术实施例中卫星通信系统的示意图。图2为本专利技术一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法的步骤流程图。图3为本专利技术实施例中卫星通信系统安全能效随发射功率门限变化的曲线图。图4为本专利技术一种基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、初始化卫星参数，所述卫星参数包括卫星的最大发射功率和卫星通信系统的系统安全速率门限；/n步骤2、根据卫星参数获取安全能效最大化的目标优化函数；/n步骤3、利用辅助变量和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为等效凸差规划问题；/n步骤4、利用罚函数法和凹凸过程方法将凸差规划问题转换为凸优化问题；/n步骤5、利用迭代算法和特征值分解处理凸优化问题，获得鲁棒波束成形权矢量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、初始化卫星参数，所述卫星参数包括卫星的最大发射功率和卫星通信系统的系统安全速率门限；
步骤2、根据卫星参数获取安全能效最大化的目标优化函数；
步骤3、利用辅助变量和Dinkelbach算法将目标优化函数转换为等效凸差规划问题；
步骤4、利用罚函数法和凹凸过程方法将凸差规划问题转换为凸优化问题；
步骤5、利用迭代算法和特征值分解处理凸优化问题，获得鲁棒波束成形权矢量。


2.根据权利要求1所述的一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，其特征在于，所述步骤2的具体操作如下：
在已知窃听者所处区域的情况下，设第k个窃听者信道的不确定模型Δk为：
Δk＝{hk|xk∈[xk,L,xk,U],yk∈[yk,L,yk,U]}
其中，xk为第k个窃听者的位置横坐标，xk,L为第k个窃听者位置横坐标的下界，xk,U为第k个窃听者位置横坐标的上界，yk为第k个窃听者的位置纵坐标，yk,L为第k个窃听者位置纵坐标的下界，yk,U为第k个窃听者位置纵坐标的上界，k＝1,2,…,K，K为窃听者总数；
利用卫星参数设置约束条件，所述约束条件为：卫星总发射功率不超过最大发射功率，系统安全速率不低于系统安全速率门限；
根据约束条件获取安全能效最大化的目标优化函数，具体公式如下：









其中，w为鲁棒波束成形权矢量，η表示系统安全能效，Rs表示系统安全速率，表示系统安全速率门限，PT表示卫星总发射功率，表示最大发射功率。


3.根据权利要求2所述的一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，其特征在于，步骤2中系统安全速率Rs的计算公式如下：



其中，γu表示合法用户处的输出信噪比，γk表示第k个窃听者处的输出信噪比，hu表示卫星通信系统中卫星与合法用户之间的信道矢量，hk表示卫星通信系统中卫星与第k个窃听者之间的信道矢量，表示合法用户处的噪声功率，表示第k个窃听者处的噪声功率；
步骤2中系统安全能效η的计算公式如下：



其中，PC表示卫星发射端的电路功耗；
根据系统安全速率Rs的计算公式和系统安全能效η的计算公式，将目标优化函数细化为：











4.根据权利要求3所述的一种基于安全能效最大化准则的多波束卫星通信鲁棒波束成形方法，其特征在于，步骤3的具体操作如下：
步骤301、将第k个窃听者信道的不确定模型Δk转换为：



其中，μk,i为加权系数，Hk,i为Δk中的第i个...

【专利技术属性】
技术研发人员：林敏，顾晨伟，解路瑶，赵柏，欧阳键，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32