CN112290995B - 星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 - Google Patents
星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112290995B CN112290995B CN202011228517.8A CN202011228517A CN112290995B CN 112290995 B CN112290995 B CN 112290995B CN 202011228517 A CN202011228517 A CN 202011228517A CN 112290995 B CN112290995 B CN 112290995B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- satellite
- signal
- packet
- user
- power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/14—Relay systems
- H04B7/15—Active relay systems
- H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
- H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
- H04B7/18515—Transmission equipment in satellites or space-based relays
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/14—Relay systems
- H04B7/15—Active relay systems
- H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
- H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
- H04B7/18519—Operations control, administration or maintenance
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
Abstract
本发明提出了一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,用于解决现有星地集成网络下行链路的系统安全能效较低的技术问题。其步骤为:首先,采用模拟预编码形成高增益的方向性波束,其次设计数字预编码消除用户间干扰,最后,提出一个发射功率和功率分裂系数的联合优化问题,其目标是最大化系统的安全能效,同时满足每个用户的服务质量约束,卫星地面站的干扰限制和基站的功耗限制;为求解该问题,提出了一种基于Dinkelbach和连续凸逼近SCA的迭代算法获得问题的解,提高了系统安全传输速率的收敛效率。本发明在地面网络中采用毫米波大规模MIMO‑NOMA系统结合SWIPT技术,基站向多个用户提供服务并保护卫星地面站免受干扰。
Description
技术领域
本发明涉及通信网络传输的安全能效技术领域,特别是指一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法。
背景技术
卫星通信网络和地面5G网络的融合被认为是一种很有前景的异构网络架构,两者共同构成全球无缝覆盖的综合通信网,是未来通信发展的重要方向。5G网络中,毫米波、大规模多输入多输出(MIMO,multiple input multiple output)和非正交多址接入(NOMA,non-orthogonal multiple access)等技术的应用能够显著提升5G网络的系统容量和数据速率。虽然星地集成网络具有很宝贵的频谱资源,但部分毫米波频段已分配给了固定卫星服务(FSS,fixed satellite services)Ka频段,频谱共享带来的干扰问题也亟待解决。另外由于高频毫米波较严重的衰减,系统需配备大量的天线和射频链以提高信号的传输距离。但是数量庞大的天线和射频链又会导致巨大的系统功耗,面对这一问题,基于混合预编码的波束成形能够充分利用多天线提供的空间自由度,以牺牲较小的传输速率大幅减少系统射频链的数量,从而提升系统能效。
面对电池驱动的智能无线设备的普及,有限的能源存储能力成为未来无线网络的另一个瓶颈。无线携能通信(SWIPT,simultaneous wireless information and powertransfer)技术近年来受到广泛关注,该技术通过接收端装备功率分裂器,对信号中的能量和信息分别进行提取,从而延长能量受限设备的使用寿命。然而,由于无线信道的开放性,本应给信息接收者的保密信息也会被能量接收者接收到,从而造成潜在的信息泄漏。因此,使用SWIPT技术同时保证系统的安全性是目前研究的热点问题。
另外,由于覆盖范围的广阔和开放,卫星通信的传输安全面临着越来越严峻的挑战。如何最大限度地减少卫星通信终端与地面5G网络之间的干扰,同时保证其传输质量、系统能效和安全要求,对实现星地集成网络高效安全的传输起着重要的作用。与传统的加密技术不同,物理层安全(PLS,physical layer security)利用物理层传输介质的随机特性,如无线信道的衰落、噪声和干扰等实现信息传输的安全性。另外,在保证物理层安全前提下如何提高系统能效也成为了最近研究的热点问题。在此背景下,考虑了共享同一毫米波频段的卫星通信终端和地面5G网络集成系统的下行通信,在功率和传输质量约束下,研究系统的安全能效(SEE,secure energy efficiency)最大化问题。
近年来,对于星地集成网络的安全问题成为了研究的热点。文献[Yan Y,Yang W,Guo D,et al.Robust Secure Beamforming and Power Splitting for Millimeter-WaveCognitive Satellite–Terrestrial Networks With SWIPT[J].IEEE Systems Journal,2020 14(3):3233-3244.]在共享相同的毫米波频带并且非理想信道状态信息(CSI,Channel State Information)情况下,研究了认知星地集成网络(CSTNs,cognitivesatellite terrestrial networks)结合SWIPT技术的安全信息传输问题,提出了一种鲁棒的安全波束成形方法和功率分配方案;同样是地面系统与卫星系统共享下行频段的CSTN网络中,文献[An K,Lin M,Ouyang J,et al.Secure Transmission in CognitiveSatellite Terrestrial Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2016,34(11):3025-3037.]提出了一种CSTN的物理层安全框架,并且利用同信道干扰作为一种有用的资源来提高卫星网络的保密性能,建立了一个约束优化问题,满足卫星用户的干扰概率约束同时使地面网络的瞬时速率最大;同样存在窃听者情况下,文献[Du J,Jiang C,Zhang H,et al.Secure Satellite-Terrestrial TransmissionOver Incumbent Terrestrial Networks via Cooperative Beamforming[J].IEEEJournal on Selected Areas in Communications.2018,36(7):1367-1382.]建立了一个共享Ka波段的FSS结合地面蜂窝网络的系统,提出了一个在用户功率和信噪比门限约束下FSS终端保密率最大化的问题,并采用一种迭代逼近的方法将原非凸问题转换为凸二次问题求解;文献[Lin Z,Lin M,Wang J B,et al.Robust Secure Beamforming for 5GCellular Networks Coexisting With Satellite Networks[J].IEEE Journal onSelected Areas in Communications,2018,36(4):932-945.]提出了一个与卫星网络共享毫米波波段的5G蜂窝物理层安全框架,建立了一个基于波束成形变量的安全速率最大化问题,采用一种基于迭代的罚函数(IPF,iterative penalty function)算法来实现最优波束成形设计。
上述文献仅仅研究了星地集成网络下如何提高系统安全传输速率,并未考虑系统安全能效。研究表明5G网络的能源损耗将是4G网络的100倍,因此在5G网络与卫星网络融合中如何提高系统的安全能效,也是未来星地集成网络一项非常重要的性能指标。
发明内容
针对上述背景技术中存在的不足,本发明提出了一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,解决了现有星地集成网络下行链路的系统安全能效较低的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,其步骤如下:
步骤一:构建包括初级的卫星网络和次级的地面网络的星地集成网络,其中,初级卫星网络的卫星地面站装配一个抛物形天线,次级的地面网络包括K个合法用户和一个窃听用户,合法用户均通过NOMA技术接收波束;
步骤二:构建合法用户与窃听用户的毫米波信道模型,并根据毫米波信道模型计算合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号;
步骤三:利用功率分裂器将合法用户的接收信号分为信息解码信号和能量转化信号,并将能量转化信号转化为能量值;
步骤四:计算基站对初级卫星网络的卫星地面站的干扰信号,并将干扰信号转化为初级卫星网络的卫星地面站接收到基站信号的信噪比;
步骤五:根据合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号得到星地集成网络的安全传输速率;
步骤六:在步骤三的能量值、步骤四的信噪比、步骤五的星地集成网络的安全传输速率和合法用户的发送功率的约束条件下建立第一目标函数;
步骤七:通过增加约束条件将第一目标函数转化为第二目标函数;
步骤八:利用SCA和Dinkelbach优化算法对第二目标函数进行优化,得到星地集成网络的安全能效值。
所述合法用户与窃听用户的毫米波信道模型为:
其中,hg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的信道状态信息,hE表示窃听用户的信道状态信息,n=1,2,…,Np,Np表示信道的路径数目,NTX表示天线的数量,表示合法用户对应的第n条路径增益,表示合法用户对应的第n条路径增益的天线矢量,表示窃听用户对应的第n条路径增益,表示窃听用户对应的第n条路径增益的天线矢量,σn表示合法用户对应的第n条路径增益的噪声;
所述合法用户的接收信号为:
其中,yg,m为合法用户的接收信号,B为波束成形的模拟预编码矩阵,fg表示第g个分组的数字预编码向量,pg,m为第g个分组中第m个合法用户(g,m)的发送功率,sg,m为第g个分组中第m个合法用户(g,m)的能量归一化的发送信号,pg,j表示第g个分组中第j个合法用户(g,j)的发送功率,sg,j表示第g个分组中第j个合法用户(g,j)的能量归一化的发送信号,pi,j表示第i个分组中第j个合法用户(i,j)的发送功率,si,j表示第i个分组中第j个合法用户(i,j)的能量归一化的发送信号,vg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的噪声;j=1,2,…,Mi;Mi表示第i个分组的合法用户的数目;
所述窃听用户的窃听信号为:
其中,为窃听用户的窃听信号,fi表示第i个分组的数字预编码向量,pi,j为第i个分组中第j个合法用户(i,j)的发送功率,si,j为第i个分组中第j个合法用户(i,j)的能量归一化的发送信号,G表示分组的总数目。
所述信息解码信号为:
所述能量转化信号为:
所述将能量转化信号转化为能量值:
所述基站对初级卫星网络的卫星地面站的干扰信号为:
其中,yp为干扰信号,vp为卫星地球站信道加性高斯白噪声,hp表示卫星地球站的信道状态信息,GP(φ)表示抛物形天线的辐射方向图;
所述卫星地面站接收到基站信号的信噪比为:
所述星地集成网络的安全传输速率为:
其中,Rsec为星地集成网络的安全传输速率,表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的安全传输速率,Rg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的传输速率,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的窃听速率,SINRg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的信干噪比,表示第g个分组中第m个窃听用户(g,m)的信干噪比。
所述第一目标函数为:
第一目标函数的约束条件为:
C2:Rg,m≥Rmin
C4:γp≤Υmax
其中,PC=NRFPRF+NPSPPS+PB表示基站电路功耗,PRF表示射频链处理的电路功耗,PPS表示移相器处理的电路功耗,PB表示基带信号处理的电路功耗,NRF表示射频链的数目,NPS表示移相器数目,Pmax表示基站发射功率的最大值,Rmin表示合法用户的数据速率及能量采集的QoS约束最大值,Pmin表示合法用户的数据速率及能量采集的QoS约束最小值,Υmax是基站对卫星地面站的最大允许干扰约束。
所述第二目标函数为:
其中,表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的安全传输速率,eg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)接收到的所有信号功率和噪声功率的总和,ξg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)接收到的干扰信号功率和噪声功率总和,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的所有信号功率和噪声功率的总和,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的干扰信号功率和噪声功率总和,θ为非负常数;
第二目标函数的约束条件为:
C4:γp≤Υmax
所述利用SCA和Dinkelbach优化算法对第二目标函数进行优化的方法为:
所述θ(k)的更新方法为:
所述迭代结束条件为:
本技术方案能产生的有益效果:
(1)本发明在地面网络中采用毫米波大规模MIMO-NOMA系统结合SWIPT技术,基站向多个用户提供服务并保护卫星地面站免受干扰。
(2)本发明采用Dinkelbach和SCA的迭代算法对目标函数进行双层迭代,提高了系统安全传输速率的收敛效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的星地集成网络模型。
图2为本发明的混合预编码结构图,其中,(a)全连接结构,(b)子连接结构。
图3为本发明方法的收敛性能分析图,其中,(a)内层迭代收敛图,(b)外层迭代收敛图。
图4为本发明在不同射频链数量和不同天线结构条件下系统安全传输速率对于总发射功率限制Pmax的变化曲线。
图5为本发明的不同结构下系统安全能效随总发射功率限制Pmax变化的曲线。
图6为本发明的最大安全能效时各个结构的总发射功率变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,主要研究的是毫米波星地集成网络下行链路的安全能效问题,该系统分为初级卫星网络和次级地面网络,并且两级网络共享相同的毫米波频段。地面网络中,采用毫米波大规模MIMO-NOMA系统结合SWIPT技术,基站向多个用户提供服务并保护卫星地面站免受干扰。所有用户均配备功率分裂器,将信号分为信息解码和能量转化两部分。基站混合预编码结构采用模拟预编码和数字预编码两层编码设计,首先根据用户CSI对其分组并选出簇头;然后根据簇头用户的CSI对信号进行模拟预编码形成高增益的方向性波束,再对簇头用户采用破零数字预编码技术,这样在减小簇间干扰的同时也可以消除簇头对分组内其他用户的干扰;最后形成一个发射功率和功率分裂系数的联合优化问题,目标函数是最大化系统的安全能效,约束条件分别为基站对用户的发射功率约束,服务质量约束以及卫星地面站的信噪比约束等。为求解联合优化问题,提出了一种基于Dinkelbach和连续凸逼近(SCA,successiveconvex approximation)的迭代算法获得最初问题的解。具体步骤如下:
步骤一:构建包括初级的卫星网络和次级的地面网络的星地集成网络,其中,初级卫星网络的卫星地面站装配一个抛物形天线,次级的地面网络包括K个合法用户和一个窃听用户,合法用户均通过NOMA技术接收波束;如图1所示,系统模型考虑卫星和地面5G网络融合的星地集成网络,其中初级的卫星网络和次级的地面网络共用相同的毫米波频段。初级卫星网络的卫星地面站装配一个抛物形天线。次级地面网络中,是一个存在窃听用户的毫米波大规模MIMO-NOMA系统,包括K个合法用户和一个窃听用户,合法用户均配有功率分裂器以实现无线携能通信,可以把接收到的射频信号其中一部分转化为能量。
如图2所示,次级地面网络基站配置NRF个射频链和NTX根天线,采用混合模拟数字预编码技术,分为全连接和子连接两种结构。全连接结构如图2的(a)所示,每根天线通过NTX个移相器连接到所有射频链,移相器总数为NTXNRF。子连接结构如图2的(b)所示,一个天线的子阵列连接到一条射频链,假设一个天线子阵列中天线个数为NTX/NRF且为整数,则共需要NTX个移相器。全连接结构传输速率高,子连接结构的硬件复杂度低且节能。
步骤二:构建合法用户与窃听用户的毫米波信道模型,并根据毫米波信道模型计算合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号;
为使一个波束通过NOMA技术服务多个合法用户,首先需要从所有合法用户中选出每组的簇头,并根据信道状态信息对合法用户进行分组。假设Mg(g∈{1,…,G})表示第g个分组中合法用户的集合,其中分组数G与射频链数NRF相同(即NRF=G),并且合法用户数K≥分组数目G。其次利用串行干扰消除(SIC,successive interference cancellation)技术可以消除一个波束内信道增益较弱信号对较强信号的干扰。假设每个组的合法用户根据信道增益按强弱顺序进行排列,并把第g个分组中第m个合法用户记为合法用户(g,m)。
考虑毫米波MIMO信道的稀疏特性,本发明采用广泛应用的毫米波信道模型,合法用户(g,m)与窃听用户的毫米波MIMO信道模型可表示为:
其中,hg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的信道状态信息,hE表示窃听用户的信道状态信息,n=1,2,…,Np,Np表示信道的路径数目,NTX表示天线的数量,表示合法用户对应的第n条路径增益,表示合法用户对应的第n条路径增益的天线矢量,表示窃听用户对应的第n条路径增益,表示窃听用户对应的第n条路径增益的天线矢量,σn表示合法用户对应的第n条路径增益的噪声。
根据毫米波信道模型,可得合法用户(g,m)接收信号为:
其中,yg,m为合法用户的接收信号,B为波束成形的模拟预编码矩阵,fg表示第g个分组的数字预编码向量,pg,m为第g个分组中第m个合法用户(g,m)的发送功率,sg,m为第g个分组中第m个合法用户(g,m)的能量归一化的发送信号,pg,j表示第g个分组中第j个合法用户(g,j)的发送功率,sg,j表示第g个分组中第j个合法用户(g,j)的能量归一化的发送信号,fi表示第i个分组的数字预编码向量,pi,j表示第i个分组中第j个合法用户(i,j)的发送功率,si,j表示第i个分组中第j个合法用户(i,j)的能量归一化的发送信号,vg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的噪声;j=1,2,…,Mi;Mi表示第i个分组的合法用户的数目;
所述窃听用户的窃听信号为:
步骤三:利用功率分裂器将合法用户的接收信号分为信息解码信号和能量转化信号,并将能量转化信号转化为能量值;
由于系统应用了毫米波大规模MIMO-NOMA技术,所以一条射频链产生的波束服务多个用户。首先采用文献[DAI L,WANG B,PENG M,et al.Hybrid precoding-basedmillimeter-wave massive MIMO-NOMA with simultaneous wireless information andpower transfer[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2019,37(1):131-141.]方法对用户进行分组并选出每组的簇头。其次需要根据簇头的信道状态信息设计模拟预编码矩阵B和数字预编码向量fi。如图2所示,模拟预编码矩阵分为全连接和子连接两种结构,其中全连接模拟预编码矩阵和子连接模拟预编码矩阵可表示为:
其中,Bfull为模拟预编码矩阵B对应的全连接的模拟预编码矩阵,Bsub为模拟预编码矩阵B对应的子连接的模拟预编码矩阵。
并且由于实际应用中移相器的限制,假设量化的相位变化为2b个,b为相位器调节位数。则为使天线阵列增益最大,每个波束的移相器相位为实际天线发射角与天线到簇头夹角的最小值时对应的相位值:
其中,h(g,1)为每组簇头的信道状态信息。假设N表示射频链连接的天线个数,则全连接系统N=NTX,子连接系统N=NTX/NRF。模拟预编码的每个元素可表示:
数字预编码部分采用迫零(ZF,zero forcing)编码技术消除簇头间的干扰
F=[f1,...,fG]=HH(HHH)-1 (9)
合法用户的信号被功率分裂器分为信息解码和能量转化两部分,假设合法用户(g,m)的功率分配因子为βl,m(0<βl,m≤1),则信息解码信号和能量转化信号分别为
假设能量转化效率为η,则合法用户(g,m)转化的能量为:
步骤四:计算基站对初级卫星网络的卫星地面站的干扰信号,并将干扰信号转化为初级卫星网络的卫星地面站接收到基站信号的信噪比;
由于卫星对次级地面网络的干扰较小可以忽略,这里仅考虑基站对卫星地球站的干扰,基站对初级卫星网络的卫星地面站的干扰信号可表示为:
其中,yp为干扰信号,vp为卫星地球站信道加性高斯白噪声,hp表示卫星地球站的信道状态信息,GP(φ)表示抛物形天线的辐射方向图;
其中,Gmax为主瓣增益,Φ为天线发射角。根据式(13)可得卫星地面站接收到基站信号的信噪比为:
步骤五:根据合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号得到星地集成网络的安全传输速率;完成混合预编码的设计后,考虑采用物理层安全技术保证信息安全,根据式(3)、(4)可以得到系统的安全传输速率为:
其中,Rsec为星地集成网络的安全传输速率,表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的安全传输速率,Rg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的传输速率,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的窃听速率,SINRg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)的信干噪比,表示第g个分组中第m个窃听用户(g,m)的信干噪比。
所述系统模型中,在基站对卫星地面站的干扰低于可接受阈值的条件下,次级地面网络可以和初级卫星网络共享相同的频谱资源。
步骤六:在步骤三的能量值、步骤四的信噪比、步骤五的星地集成网络的安全传输速率和合法用户的发送功率的约束条件下建立第一目标函数;
为了保证安全、绿色的通信,在满足基站发射功率约束、合法用户的数据速率和能量采集服务质量(QoS,quality of service)约束以及基站对卫星地面站干扰约束的前提下,本发明联合优化基站的发射功率和功率分裂因子,使得系统的安全能效最大化。形成的优化问题可表示为第一目标函数:
第一目标函数的约束条件为:
其中,PC=NRFPRF+NPSPPS+PB表示基站电路功耗,PRF表示射频链处理的电路功耗,PPS表示移相器处理的电路功耗,PB表示基带信号处理的电路功耗,NRF表示射频链的数目,NPS表示移相器数目,Pmax表示基站发射功率的最大值,Rmin表示合法用户的数据速率及能量采集的QoS约束最大值,Pmin表示合法用户的数据速率及能量采集的QoS约束最小值,Υmax是基站对卫星地面站的最大允许干扰约束。
由于(21)中目标函数P1为分式形式且存在多变量耦合,另外约束条件C2、C3非凸,式(21)不能直接求解。针对目标函数P1,假设有非负常数θ为
则存在θopt是优化问题式(21)的最优解并且满足条件如下所示:
对于式(16)、(17)中变量pg,m和βg,m耦合的问题,首先引入变量{τg,m},并满足约束条件:
C5:τg,m≥1/βg,m (26)
则合法用户(g,m)安全传输速率可重新表示为
其中,eg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)接收到的所有信号功率和噪声功率的总和,ξg,m表示第g个分组中第m个合法用户(g,m)接收到的干扰信号功率和噪声功率总和,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的所有信号功率和噪声功率的总和,表示窃听者窃听第g个分组中第m个合法用户(g,m)的干扰信号功率和噪声功率总和;
步骤七:通过增加约束条件将第一目标函数转化为第二目标函数;由于式(24)目标函数P2中的θ和PC均为常数,因此θ*PC项对于目标函数P2的最优解和没有影响,结合式(30)、(31)目标函数P2可以转换成如下凸形式:
针对式(22)中的约束条件C2、C3以及新增约束条件式(26)中C5的非凸性,本发明做如下转换。首先将C2转换为如下凸的形式:
约束条件C3多变量耦合问题引入新的变量{υg,m}并满足如下约束条件:
C3可重新表示为:
新增约束条件C5可用舒尔补充引理转换成如下矩阵的形式:
同理,新增约束条件C6也可转换成如下的矩阵形式:
综上所述,式(21)所示的非凸问题转换为如下的半正定规划(SDP,semi definiteprogram)问题,即第二目标函数:
第二目标函数的约束条件为:
步骤八:利用SCA和Dinkelbach优化算法对第二目标函数进行优化,得到星地集成网络的安全能效值。对于原问题式(21)的最优解,本发明提出了一种基于SCA和Dinkelbach的两层迭代算法。首先取变量pg,m和βg,m在定义域内的一组可行值代入式(38)求得最优解并将其作为下一次迭代的可行值继续求解直到收敛,内层迭代结束。内层迭代得到的收敛值代入式(23)将θ(k)更新,并判断式(25)是否成立,否则开始下一轮迭代,成立则更新的θ(k)值即为所求的系统安全能效。具体算法步骤如下:
所述θ(k)的更新方法为:
所述迭代结束条件为:
仿真实验
为验证星地集成网络下所提方法的安全性能,通过实验仿真对本发明得到的安全传输速率和安全能效进行分析。仿真系统的主要参数如表1所示。
表1系统仿真参数
图3的(a)和图3的(b)分别给出SCA和Dinkelbach优化算法内层迭代和外层迭代的收敛性。由图3可见,内层迭代在15次后系统安全传输速率得到收敛,外层迭代在10次以内系统安全能效曲线趋于稳定。
图4是对不同射频链数量和不同天线结构条件下系统安全传输速率对于总发射功率限制Pmax的变化情况。如图4所示,随着Pmax的增大安全传输速率逐渐增大,但曲线均趋近水平,这是因为基站对卫星地面站干扰约束的作用。另外,全数字预编码的安全传输速率最高,这是由于每根天线均有一条射频链控制,可以任意调节发射信号的功率和角度,获得最大的复用增益。由图4还可看出,射频链数量相同时,全连接结构的安全传输速率优于子连接结构,因为全连接结构和子连接结构每条射频链连接的天线数量不同,全连接结构的射频链连接所有天线实现了全阵列增益,而子连接结构只连接到一个子天线阵列。此外,射频链数量多的系统的安全传输速率明显高于数量少的系统,因此射频链数量同样决定了系统安全传输速率。
图5表示不同结构下系统安全能效随总发射功率限制Pmax变化的曲线。由图5可见,当功率限制Pmax≤10dB时,系统安全能效逐渐增大。当Pmax≥10dB时,安全能效数值保持不变。这是由于功率限制数值较小时,安全传输速率起决定作用保证安全能效的增加,而当功率限制逐渐增大到一定阈值时,增大发射功率为代价增加的安全传输速率已无法进一步提高系统的安全能效,导致即使功率限制扩大,发射总功率依然维持不变,安全能效趋于定值。同理由于射频链数量的增加会提高系统功耗,所以不论任何结构,随着射频链数量的增加系统的安全能效有所降低。尤其体现在拥有庞大射频链的全数字预编码结构,安全能效最低。此外,全连接结构的移相器数量远大于子连接结构,使得子连接结构安全能效最优。
最大安全能效时各个结构的总发射功率如图6所示。图6可以看到,总功率限制在4dB之前,所有结构的发射总功率均达到了限制条件;当总功率限制在12dB后,发射总功率维持为定值。另外,子连接结构能耗小于全连接结构;4射频链能耗小于8射频链能耗;全数字预编码能耗最大,均与图5相符。
本发明主要研究的是毫米波星地集成网络下行链路的安全能效问题,该系统分为初级卫星网络和次级地面网络,并且两级网络共享相同的毫米波频段。地面网络中,集成了目前先进的5G相关技术,采用毫米波大规模MIMO-NOMA系统结合SWIPT技术。基站混合预编码结构采用模拟预编码和数字预编码两层编码设计,模拟预编码形成高增益的方向性波束,数字预编码减小用户间干扰,最后形成一个发射功率和功率分裂系数的联合优化问题。为求解该问题,提出了一种基于Dinkelbach和SCA的迭代算法获得最初问题的解。仿真结果表明,相比传统的数字编码系统,本发明所提方案能获得更高的安全能效。另外射频链数量的增加可以提高系统安全传输速率但会损失系统的安全能效;全连接结构的安全传输速率更高,但子连接结构具有更高的安全能效。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,其特征在于,其步骤如下:
步骤二:构建合法用户与窃听用户的毫米波信道模型,并根据毫米波信道模型计算合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号;
步骤三:利用功率分裂器将合法用户的接收信号分为信息解码信号和能量转化信号,并将能量转化信号转化为能量值;
步骤四:计算基站对初级卫星网络的卫星地面站的干扰信号,并将干扰信号转化为初级卫星网络的卫星地面站接收到基站信号的信噪比;
步骤五:根据合法用户的接收信号和窃听用户的窃听信号得到星地集成网络的安全传输速率;
步骤六:在步骤三的能量值、步骤四的信噪比、步骤五的星地集成网络的安全传输速率和合法用户的发送功率的约束条件下建立第一目标函数;
所述第一目标函数为:
第一目标函数的约束条件为:
其中,表示基站电路功耗,表示射频链处理的电路功耗,表示移相器处理的电路功耗,表示基带信号处理的电路功耗,表示射频链的数目,表示移相器数目,表示基站发射功率的最大值,表示合法用户的数据速率及能量采集的约束最大值,表示合法用户的数据速率及能量采集的约束最小值,是基站对卫星地面站的最大允许干扰约束;为第个分组中第个合法用户的发送功率,为第个分组中第个合法用户的功率分配因子,为星地集成网络的安全传输速率,表示第个分组中第个合法用户的传输速率,为能量值,为信噪比,表示分组的总数目;
步骤七:通过增加约束条件将第一目标函数转化为第二目标函数;
所述第二目标函数为:
其中,表示第个分组中第个合法用户的安全传输速率,表示第个分组中第个合法用户接收到的所有信号功率和噪声功率的总和,表示第个分组中第个合法用户接收到的干扰信号功率和噪声功率总和,表示窃听者窃听第个分组中第个合法用户的所有信号功率和噪声功率的总和,表示窃听者窃听第个分组中第个合法用户的干扰信号功率和噪声功率总和,为非负常数;
第二目标函数的约束条件为:
其中,表示合法用户的噪声功率,表示引入的一个中介变量;表示第个分组中第个合法用户模拟预编码后的等效信道状态信息,表示第个分组的数字预编码向量,表示第个分组中第个合法用户的发送功率,表示第个分组中第个合法用户的发送功率,表示第个分组的数字预编码向量,表示第个分组的合法用户的数目,表示第个分组中第个合法用户的噪声;
3.根据权利要求2所述的星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法,其特征在于,所述合法用户的接收信号为:
其中,为合法用户的接收信号,为波束成形的模拟预编码矩阵,表示第个分组的数字预编码向量,为第个分组中第个合法用户的发送功率,为第个分组中第个合法用户的能量归一化的发送信号,表示第个分组中第个合法用户的发送功率,表示第个分组中第个合法用户的能量归一化的发送信号,表示第个分组中第个合法用户的发送功率,表示第个分组中第个合法用户的能量归一化的发送信号,表示第个分组中第个合法用户的噪声;表示第个分组的合法用户的数目;
所述窃听用户的窃听信号为:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011228517.8A CN112290995B (zh) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | 星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011228517.8A CN112290995B (zh) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | 星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112290995A CN112290995A (zh) | 2021-01-29 |
CN112290995B true CN112290995B (zh) | 2022-06-21 |
Family
ID=74352102
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202011228517.8A Active CN112290995B (zh) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | 星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112290995B (zh) |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112929067B (zh) * | 2021-02-04 | 2022-07-15 | 重庆邮电大学 | 基于sca的irs-noma系统低复杂度波束赋形方法 |
CN113067610B (zh) * | 2021-03-17 | 2022-09-09 | 郑州航空工业管理学院 | 基于swipt的毫米波noma系统安全能效最大化功率分配方法 |
CN113258975B (zh) * | 2021-04-27 | 2022-01-18 | 华南理工大学 | 一种用于无线携能通信系统的发射阵列及其波束扫描方法 |
CN113258985B (zh) * | 2021-05-08 | 2023-01-31 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 单站多星mimo上注系统能效优化方法 |
CN113422634B (zh) * | 2021-06-15 | 2022-12-09 | 南京邮电大学 | 一种毫米波全双工无人机中继通信系统的高能效保密传输方法 |
CN113382445B (zh) * | 2021-07-26 | 2022-04-29 | 华北电力大学(保定) | 提高swipt系统安全速率的方法、装置、终端及存储介质 |
US11923923B2 (en) * | 2021-07-30 | 2024-03-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | System and method for beam directional nulling |
US11901987B2 (en) | 2021-07-30 | 2024-02-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | System and method for beam directional nulling for SRS-based data beams |
CN113795051B (zh) * | 2021-08-16 | 2022-11-22 | 广东工业大学 | 一种基于noma系统下的逐天线功率鲁棒优化方法 |
CN113938173B (zh) * | 2021-10-20 | 2024-02-09 | 深圳市畅电科技有限公司 | 一种星地融合网络中联合广播和单播的波束赋形方法 |
CN114172551A (zh) * | 2021-12-02 | 2022-03-11 | 西安交通大学 | 基于卫星机会调度联合波束成形的安全传输方法及系统 |
CN115811734B (zh) * | 2023-01-29 | 2023-06-06 | 中国人民解放军陆军指挥学院 | 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 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107835528B (zh) * | 2017-10-25 | 2021-10-26 | 哈尔滨工业大学 | 星地一体化网络中基于干扰避免的资源分配方法 |
CN110912597B (zh) * | 2019-11-07 | 2023-04-21 | 南京邮电大学 | 一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法 |
CN111447631A (zh) * | 2020-03-05 | 2020-07-24 | 南京邮电大学 | 基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法 |
CN111726156A (zh) * | 2020-06-06 | 2020-09-29 | 郑州大学 | 一种基于noma的资源分配方法与装置 |
-
2020
- 2020-11-06 CN CN202011228517.8A patent/CN112290995B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112290995A (zh) | 2021-01-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN112290995B (zh) | 星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法 | |
CN107888270B (zh) | 认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法 | |
Peng et al. | Hybrid beamforming, user scheduling, and resource allocation for integrated terrestrial-satellite communication | |
CN114070365B (zh) | 一种智能反射表面辅助的低射频复杂度多用户mimo上行频谱效率优化方法 | |
CN113497649B (zh) | 基于智能反射平面的太赫兹无线通信网络资源管控方法 | |
CN111756424B (zh) | 一种基于安全传输的毫米波云无线接入网络波束设计方法 | |
Alluhaibi et al. | Capacity maximisation for hybrid digital-to-analog beamforming mm-wave systems | |
CN113114317A (zh) | 一种irs辅助下行多用户通信系统的相移优化方法 | |
CN113067610A (zh) | 基于swipt的毫米波noma系统安全能效最大化功率分配方法 | |
Cheng et al. | Joint scheduling and precoding for mmwave and sub-6ghz dual-mode networks | |
Zhu et al. | Optimization of multi-UAV-BS aided millimeter-wave massive MIMO networks | |
Wang et al. | Hybrid beamforming with time delay compensation for millimeter wave MIMO frequency selective channels | |
my Al-Nimrat et al. | An efficient channel estimation scheme for mmwave massive MIMO systems | |
CN115811734B (zh) | 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 | |
CN110933716B (zh) | 一种基于边缘缓存的安全低时延毫米波传输方法 | |
Chen et al. | Low-complexity beam selection for hybrid precoded multi-user mmWave communications | |
Jiang et al. | Downlink multiuser hybrid beamforming for MmWave massive MIMO-NOMA system with imperfect CSI | |
Yu et al. | An energy-efficient hybrid precoding algorithm for multiuser mmWave massive MIMO systems | |
Xing et al. | Covert Millimeter Wave Communications Based on Beam Sweeping | |
CN113922849A (zh) | 一种毫米波mimo-noma系统下的用户分组和功率分配方法 | |
Vazquez et al. | Phase-only transmit beamforming for spectrum sharing microwave systems | |
Hussein et al. | Multi-user massive MIMO systems based on hybrid analog-digital beamforming for millimeter-wave communications | |
Lu et al. | Improvement of SINR for MIMO channels in terahertz communication | |
Chen et al. | Bayesian tree search for beamforming training in millimeter wave wireless communication systems | |
Li et al. | Cell throughput analysis for downlink multi-user mimo transmission with radiation pattern reconfigurable antennas |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |