[发明专利]星地集成网络中基于安全能效的波束设计方法

说明书

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。

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。