认知星地融合无线网络中优化地面基站发射功率的方法及系统

本发明属于认知星地融合无线网络中波束形成，特别是涉及一种认知星地融合无线网络中优化地面基站发射功率的方法及系统。

背景技术：

1、卫星通信具有得天独厚的优势，以其通信距离远、覆盖范围广、组网灵活、不易受陆地灾害影响等特点在广播、导航、救援和应急通信彰显着自己独特的价值。卫星通信通过星上设备和地面设备实现陆、海、空域用户之间的通信，卫星网络的诸多优势使卫星通信适用于多种业务，能够实现大范围的覆盖，可以满足游轮远洋航行和民航飞机空中飞行的通信要求，在抢险救援中部分通信方式失灵时，卫星通信可以发挥重要作用。为了实现和用户之间全方位、随时随地高效通信，多网异构融合机制具有很大的发挥空间，是发展下一代移动通信网络的必然趋势。卫星许可的频谱资源并未被充分利用，同时地面频谱资源也越来越紧张，所以目前关于认知星地融合无线网络频谱共享问题的研究显得尤为重要。充分利用卫星和地面网络的优势构建新的混合网络，实现卫星网络和地面网络的有机融合是未来卫星通信发展的必然趋势。认知星地融合无线网络可以实现复杂网络信息一体化处理，充分发挥卫星网络和地面网络的优势。卫星-地面无线网络中最关键的的问题是认知星地融合无线网络体系架构设计问题，如何分工明确地使卫星和地面蜂窝网络分别扮演不同的角色和发挥各自的优势，是合理构建认知星地融合无线网络网络的重要一环，进而才能让卫星和地面无线网络发挥更大的作用。

2、另外，由于卫星信号在其传播过程中的广播特性，容易将卫星信号泄漏给第三方的接收机，所以卫星通信存在一定的安全隐患，所以研究卫星通信安全传输问题具有重要意义。波束形成算法设计、利用天线选择、添加人工噪声以及干扰辅助等策略也可以有效提升系统的安全性能。目前通过在地面移动通信网络中向窃听者发送人工噪声的方法比较常见，通过添加人工噪声来造成干扰达到安全通信的目的，这种方法可以很好地降低窃听者的接收信号质量，但会明显增加基站的发射功率，也会提高基站的运算复杂度；而通过波束形成算法设计，将安全通信问题转化为一个凸形式优化问题，通过优化波束形成权矢量来降低窃听者的接收信号质量，使得窃听者获取的信号功率非常微弱达到安全通信的目的。根据wyner在1975年提出的构造用户与窃听者之间的信道容量差来保证安全速率的方案，研究结果证明了当窃听信道的噪声比合法信道的噪声大时，发射端和接收端间能够通过信道编码来实现保密速率大于零，也就是可以实现无线通信的保密传输，本技术提出了认知星地融合无线网络中基于功率最小化的波束形成算法，基于凸优化算法来设计波束形成优化方案对地面基站发射信号波束形成权矢量进行优化，在保证卫星主用户的安全通信的同时次级用户的服务质量也满足要求。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决上述背景技术中提出的问题，提供一种认知星地融合无线网络中优化地面基站发射功率的方法，考虑到卫星信号被窃听者获取的情况下的安全通信问题，在保证地面基站传输功率最小化的同时保障认知星地融合无线网络中信息传输的可靠性和安全性。

2、为了实现本发明目的，本发明公开了一种认知星地融合无线网络中优化地面基站发射功率的方法，认知星地融合无线网络包括一个卫星移动通信网络和一个地面移动通信网络；所述卫星移动通信网络为主网络，包括单天线卫星、卫星主用户和窃听者；所述地面移动通信网络为次级网络，包括多天线基站和次级用户；设定认知星地融合无线网络卫星主用户的安全速率门限不小于γ1，次级用户的通信速率门限不小于γ2，利用上述条件建立优化问题的数学模型，通过设计门限值变量β0和设计波束形成权向量w的方法对地面基站的总发射功率进行优化，使其在满足认知星地融合无线网络信息传输安全性与可靠性的同时，达到地面基站的发射功率最小化的目的。

3、进一步地，具体包括以下步骤：

4、步骤一、设定认知星地融合无线网络中单天线卫星发射功率为p1，卫星主用户的安全速率门限值为γ1，为了保证卫星主网络安全通信要求，需满足条件卫星主用户的实际安全速率不小于门限γ1；

5、步骤二、设定认知星地融合无线网络中次级用户的通信速率门限值不小于γ2，保证次级用户的通信速率不小于门限值时的服务质量；

6、步骤三、设定卫星和地面基发送信号分别为s1和s2，则卫星主用户、窃听者和次级用户接收到的信号分别表示为

7、

8、

9、

10、其中，p1为卫星最大发送信号功率，w为地面基站发送信号的波束形成权矢量，其中，h1代表卫星与卫星主用户之间的信道矢量，h2代表卫星与地面窃听者之间的信道矢量，h3代表卫星与次级用户之间的信道矢量；g1代表地面基站与次级户之间的信道矢量，g2代表地面基站与窃听者之间的信道矢量，g3表示地面基站与卫星主用户之间的信道矢量，n1,n2,n3分别代表卫星主用户、窃听者和地面次级用户处的加性高斯白噪声，h为共轭转置符号；

11、步骤四、根据地面基站发射功率最小化需求建立优化问题，确立优化问题目标函数为地面基站的发射功率最小化，约束条件为卫星主用户的安全速率门限不小于γ1，以及次级用户的通信速率不小于γ2，优化变量为地面基站发射信号波束形成权向量w，具体为

12、

13、s.t.cp≥γ1,

14、cs≥γ2,

15、其中，cp为主用户安全速率，cs为次级用户通信速率；将主用户的安全速率cp表达式带入上式，则优化问题可以重新表示成

16、

17、

18、

19、其中，表示卫星主用户的噪声功率，表示窃听者的噪声功率，表示次级用户的噪声功率；

20、步骤五、由于约束条件非凸，通过引入门限值变量β的方法将原来非凸的约束条件转化为满足凸优化形式的约束条件；

21、步骤六、当β的取值为固定常数时，优化问题是一个能够运用标准凸优化工具包来求解的满足凸形式的优化问题，利用黄金分割法搜索出最优β值，从而得到最优波束形成权矢量，当搜索区间长度大于搜索容限时，返回步骤五。

22、进一步地，步骤五中引入门限值变量β，进而得到一个满足凸优化形式的问题；通过引入门限值变量β和矩阵变量并增加一个约束条件将原始优化问题转化为标准的凸优化问题，即将关于波束形成权矢量w的四次约束问题转化为关于波束形成权矢量w的二次约束问题，具体为：

23、

24、

25、

26、β≥|whg1|2,

27、再通过引入新的矩阵变量和半正定松弛方法将上述优化问题转化为标准半正定规划问题，具体为

28、

29、

30、

31、β≥tr(wg1),

32、

33、其中w＝wwh，h1、h2、h3分别表示卫星与卫星主用户、窃听者和地面次级用户之间的信道矢量自相关矩阵，g1、g2、g3分别表示地面基站与卫星主用户、窃听者和地面次级用户之间的信道矢量自相关矩阵。

34、进一步地，在步骤六中给定门限值β的取值在闭区间[a,b]内，接下来采用黄金分割搜索方法搜索出[a,b]区间内部的最优β值使地面基站发射功率最小，并求出最优的波束形成权矢量；首先给出初始值β1和β2，分别计算在β取β1和β2时地面基站的发射功率，通过黄金分割法求出最优值，直到满足搜索容限约束为止。

35、进一步地，步骤六具体包括以下步骤：

36、第一步、参数设置，τ＝0.618，设置搜索区间端点为a，b，其中，b＞a＞0，初始|b-a|≥tol；

37、第二步、初始化β1和β2的值，其中，β1＝a+(1-τ)(b-a)，β2＝a+τ(b-a)；

38、第三步、计算p(β1)和p(β2)的值；

39、第四步、当|b-a|≥tol时，如果p(β1)<p(β2)，此时p(β1)值为地面基站发射功率最小值，则分别令b＝β2,β2＝β1，β1＝a+(1-τ)(b-a)。如果p(β1)＞p(β2)，此时p(β2)值为地面基站发射功率最小值，则分别令b＝β2,β2＝β1，β1＝a+(1-τ)(b-a)。重复步骤四，当出现|b-a|≤tol的情况时，搜索停止，此时计算的地面基站发射功率值为最小值；

40、其中，tol为最小搜索容限，当|b-a|的值小于最小搜索容限tol时，算法停止，此时所得功率p*即为所求；同时，最小发射功率p*所对应的波束形成权矢量即为最优波束形成权矢量w。

41、为了实现本发明的目的，本发明还公开了一种认知星地融合无线网络中优化地面基站发射功率的系统，包括一个卫星移动通信网络和一个地面移动通信网络；所述卫星移动通信网络为主网络，包括单天线卫星、卫星主用户和窃听者；所述地面移动通信网络为次级网络，包括多天线基站和次级用户。

42、与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)提供了一种面向认知星地融合无线网络的物理层安全传输方法，通过优化设计地面多天线基站发射信号的波束形成权矢量，使其产生多个动态的窄波束，保证卫星通信网信息传输的可靠性和安全性，同时地面次级网络的服务质量满足要求；2)通过设计地面多天线波束形成权矢量，使地面基站信号对卫星主网络形成有用干扰，实现卫星主网络安全通信，在保证相同安全速率需求和通信速率限制时可以有效节约发射总功率，应用范围更加广泛。

43、为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。