混合卫星-地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法技术

本发明专利技术公开了一种混合卫星

【技术实现步骤摘要】
cognitive satellite
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terrestrial networks [J]. EEE Transactionson Vehicular Technology, 2018, 67(5): 4208
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4219.研究了混合卫星
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地面无线网络中的传输功率最小化问题，约束条件为卫星和地面次级用户满足中断概率的限制。文献LI Bin, FEI Zesong, XU Xiaoming, et al. Resource allocations for secure cognitivesatellite
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terrestrial networks [J]. IEEE Communications Letters, 2018, 7(1):78
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81.提出了一种联合优化算法来研究认知星地融合网络中的功率优化问题，同时保证用户的安全速率和传输速率以及系统的发射功率满足要求。文献Vassaki S, Poulakis M I, Panagopoulos A D, et al. Power allocation in cognitivesatellite terrestrial networks with QoS constraints [J]. IEEE CommunicationsLetters, 2013, 17(7): 1344
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1347.中在考虑了卫星主用户干扰门限受约束情况下，基于最优的功率分配方案来研究认知星地融合网络中的传输速率最大化问题。文献WEN Xiting, RUAN Yuhan，LI Yongzhao，et al. Optimal Cooperative Transmission for Overlay Cognitive Satellite Terrestrial Networks [J]. IEEE Communications Letters, 2022,26(2) :419
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423.提出了一种通过优化时间分割因素的最佳合作传输方案使得认知卫星地面网络的频谱效率最大化，在叠加式认知卫星地面网络中二级地面网络以时间分割的方式与一级卫星网络合作进行频谱接入。为了将卫星通信与LTE/5G服务相结合，文献YAN Su, WANG Xinyi, LI Zongling, et al. Cooperative jamming for physical layer security in hybrid satellite terrestrial relaynetworks [J].China Communications, 2019, 16(12): 154
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164.研究了混合卫星地面中继网络（HSTRN）中的安全传输问题，其中窃听者可以窃听来自卫星和中继的传输信息，为了有效地保护信息在这两个阶段不被窃听，考虑了中继的合作干扰，在中继的总功率约束下，干扰信号被优化为最大保密速率。混合卫星
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地面无线网络既结合了卫星通信网络和地面无线网络的优势，也弥补了两个网络各自的不足，具有巨大的研究价值。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种混合卫星
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地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法，能在保证地面次级用户正常通信的前提下，通过地面基站对窃听用户形成一定的干扰来提升卫星通信主网络的安全速率。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为。
[0006]一种混合卫星
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地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法，所述混合卫星
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地面无线网络包括卫星通信主网络和地面蜂窝次级网络，卫星通信主网络主要由通信卫星、卫星主用户和地面窃听用户构成，地面蜂窝次级网络主要由地面基站和地面次级用户构成，卫星通信主网络和地面蜂窝次级网络共享频谱资源；在保证地面次级用户正常通信的前提下，通过地面基站对窃听用户形成一定的干扰来提升卫星通信主网络的安全速率，具体是以卫星主用户的可达安全速率最大化为目标函数建立优化问题，约束条件为地面次级用户的信干噪比和地面基站的发射功率满足要求，在混合卫星
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地面无线网络中各节点间的信道状态信息已知的条件下，采用包括变量替换、泰勒展开和迭代求解在内的方法将非凸的优化问题转化为标准凸形式的优化问题，并通过凸优化数学工具包对满足标准凸形式的优化问题进行求解，得出地面基站发射信号的最优波束形成权矢量。
[0007]具体的，所述目标函数和约束条件数学表达式为：其中：C
p
为卫星主用户的可达安全速率，SINR
p
、SINR
e
和SINR
s
分别为卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户的接收信号信干噪比，R为地面次级用户的信干噪比最小门限值，w为地面基站发射信号的波束形成权矢量，P2为地面基站的发射功率最大门限值；其中：，P1为通信卫星的发射功率，h1、h2和h3分别为通信卫星与卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户之间的信道矢量，的共轭转置，分别为地面基站与卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户之间的信道矢量，维复矢量，N2为地面基站装备的天线数量，分别为卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户接收信号时在自身处产生的加性高斯白噪声的方差；将对应的数学表达式代入目标函数和约束条件数学表达式，得到优化问题：得到的优化问题为一个非凸的优化问题。
[0008]具体的，将非凸的优化问题转换为标准凸形式的优化问题，具体包括如下步骤：（1）引入波束形成矩阵变量和信道矩阵，其中：i=1,2,3，为的共轭转置；（2）将波束形成矩阵变量W带入优化问题，将优化问题重新表示为：
其中：Tr(X)表示矩阵X的迹；此时，优化问题的目标函数是非凸的，优化问题的约束条件都是标准凸形式的；（3）将非凸的目标函数表示为：（4）采用变量替代的方法，引入四个松弛变量x,y,q,p，具体替换方式如下：其中：表示意思为、可视为；（5）采用指数函数替代的方法，经过变量替代后的优化问题表示为：此时，优化问题的目标函数是标准凸形式的，优化问题的约束条件除C4和C6外也都是满足标准凸形式的；（6）采用一阶泰勒展开的方式将约束条件C4和C6转化为标准凸形的约束条件，首先定义：其中：为初始随机形成的波束形成矩阵变量，为根据所表示出的一阶泰勒函数展开的初始点；然后使用一阶泰勒展开方法，在初始点处开始对约束条件C4和C6进行逐
次的迭代处理，第n次迭代处理是在处对约束条件C4和C6进行一阶泰勒展开，的估计方法为：此时，非凸的约束条件C4和C6转化为标准凸形式的约束条件。
[0009]具体的，标准凸形的优化问题的数学表达式为：通过凸优化数学工具包对满足标准凸形式的优化问题进行求解，随着n的增大，和无限接近最优的一阶泰勒展开点，当前后两次的一阶泰勒展开点满足下列条件时，迭代过程停止，此时的为最优解：其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合卫星
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地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法，所述混合卫星
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地面无线网络包括卫星通信主网络和地面蜂窝次级网络，卫星通信主网络主要由通信卫星、卫星主用户和地面窃听用户构成，地面蜂窝次级网络主要由地面基站和地面次级用户构成，卫星通信主网络和地面蜂窝次级网络共享频谱资源；其特征在于：在保证地面次级用户正常通信的前提下，通过地面基站对窃听用户形成一定的干扰来提升卫星通信主网络的安全速率，具体是以卫星主用户的可达安全速率最大化为目标函数建立优化问题，约束条件为地面次级用户的信干噪比和地面基站的发射功率满足要求，在混合卫星
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地面无线网络中各节点间的信道状态信息已知的条件下，采用包括变量替换、泰勒展开和迭代求解在内的方法将非凸的优化问题转化为标准凸形式的优化问题，并通过凸优化数学工具包对满足标准凸形式的优化问题进行求解，得出地面基站发射信号的最优波束形成权矢量。2.根据权利要求1所述的混合卫星
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地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法，其特征在于：所述目标函数和约束条件数学表达式为：其中：C
p
为卫星主用户的可达安全速率，SINR
p
、SINR
e
和SINR
s
分别为卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户的接收信号信干噪比，R为地面次级用户的信干噪比最小门限值，w为地面基站发射信号的波束形成权矢量，P2为地面基站的发射功率最大门限值；其中：，P1为通信卫星的发射功率，h1、h2和h3分别为通信卫星与卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户之间的信道矢量，的共轭转置，分别为地面基站与卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户之间的信道矢量，维复矢量，N2为地面基站装备的天线数量，分别为卫星主用户、地面窃听用户和地面次级用户接收信号时在自身处产生的加性高斯白噪声的方差；将对应的数学表达式代入目标函数和约束条件数学表达式，得到优化问题：
得到的优化问题为一个非凸的优化问题。3.根据权利要求2所述的混合卫星
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地面无线网络中基于物理层安全的安全速率最大化方法，其特征在于：将非凸的优化问题转换为标准凸形式的优化问题，具体包括如下步骤：（1）引入波束形成矩阵变量和信道矩阵，其中：i=1,2,3，为的共轭转置；（2）将波束形成矩阵变量W带入优化问题，将优化问题重新表示为：其中：Tr(X)表示矩阵X的迹；此时，优化问题的目标函数是非凸的，优化问题的约束条件都是标准凸形式的；（3）将非凸的目标函数表示为：（4）采用变量替代的方法，引入四个松弛变量x,y,q,p，具体替换方式如下：其中：表示意思为、可视为；（5）采用指数函数替代的方法，经过变量替代后的优化问题表示为：
此时，优化问题的目标函数是标准凸形式的，优化问题的约束条件除C4和C6外也都是满足标准凸形式的；（6）采用一阶泰勒展开的方式将约束条件C4和C6转化为标准凸形的约束条件，首先定义：其中：为初始随机形成的波束形成矩阵变量，为根据所表示出的一阶泰勒函数展开的初始点；然后使用一阶泰勒展开方法，在初始点处开始对约束条件C4和C6进行逐次的迭代处理，第n次迭代处理是在处对约束条件C4和C6进行一阶泰勒展开，，的估计方法为：此时，非凸的约束条件C4和C6转化为标准凸形式的约束条件。4.根据权利要求1所述的混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄相亮，鲁伟鑫，何昌其，陈志龙，李佳保，张翚，郭炎，胡水，万宜春，叶玉丹，张敏霞，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军指挥学院，
类型：发明
国别省市：