能效最大化准则下的星地融合网络的安全波束成形算法

doi:10.12263/DZXB.20200944

电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (1): 124-134.DOI: 10.12263/DZXB.20200944

能效最大化准则下的星地融合网络的安全波束成形算法

林志¹, 林敏², 黄清泉³, 赵柏², 顾晨伟², 许拔⁴

^1.国防科技大学电子对抗学院，安徽合肥 230037
^2.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003
^3.32075部队，江苏南京 210018
^4.国防科技大学第六十三研究所，江苏南京 210007

收稿日期:2020-08-27 修回日期:2021-02-04 出版日期:2022-01-25
- 作者简介:
- 林志男，1992年出生，安徽池州人.博士，国防科技大学电子对抗学院讲师，主要研究方向为无线通信系统、阵列信号处理、可重构智能反射面等.
  林敏男，1972年出生，浙江台州人.博士，南京邮电大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信系统、智能信号处理、天线新技术等.
  黄清泉男，1993年出生，湖南永州人.博士，主要研究方向为星地融合网络、天线波束形成等.
  赵柏男，1992年出生，江苏泗阳人.南京邮电大学通信与信息工程学院博士研究生，主要研究方向为卫星通信、智能信号处理、最优化等.
  顾晨伟男，1995年出生，江苏无锡人.南京邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为卫星通信、通信信号处理、认知无线电等.
  许拔男，1981年出生，湖南汨罗人.博士，国防科技大学第六十三研究所副研究员，主要研究方向为无线通信、信号处理等.
- 基金资助:
- 国防科技大学科研计划项目 (ZK21-33); 国家自然科学基金 (61901490); 上海航天科技创新基金 (SAST2019-095)

Secure Beamforming Algorithm in Satellite-Terrestrial Integrated Networks with Energy Efficiency Maximization Criterion

LIN Zhi¹, LIN Min², HUANG Qing-quan³, ZHAO Bai², GU Chen-wei², XU Ba⁴

^1.Institute of Electronic Countermeasure, National University of Defence Technology, Heifei, Anhui 230007, China
^2.College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing, Jiangsu 210003, China
^3.32075 PLA Troops, Nanjing, Jiangsu 210018, China
^4.The 63th Research Institute, National University of Defence Technology, Nanjing, Jiangsu 210007, China

Received:2020-08-27 Revised:2021-02-04 Online:2022-01-25 Published:2022-01-25
- Supported by:
- Program of Science and Technology Project of National University of Defense Technology (ZK21-33); National Natural Science Foundation of China (61901490); Shanghai Municipal Aerospace Science and Technology Innovation Fund (SAST2019-095)

摘要/Abstract

摘要：

未来通信系统存在功耗较大、频谱短缺与传输安全等问题，星地融合网络因其在功耗、频谱效率和总体部署设计等方面具有独特的优势，被认为是解决上述问题的可行架构方案.本文针对该网络中的能效最大化问题提出了一种安全波束成形算法.假设卫星下行链路存在多个窃听者且发送端仅知晓窃听统计信道状态信息，本文在发射功率受限、用户信干噪比限制和窃听信干噪比概率约束的情况下，研究了蜂窝用户的能效最大化问题，提出了一种鲁棒混合波束成形方案，分别运用S-procedure和Bernstein型不等式将非凸的概率约束限制转化为线性矩阵不等式和二次锥约束，然后采用Charnes-Cooper和罚函数法将原NP-hard问题转换为凸优化问题，并提出一种双层迭代算法计算出数字和模拟波束成形矢量.仿真结果表明，本文所提方案能显著地提升信息传输的安全性和能效性.

关键词: 星地融合网络, 能量效率, 混合波束成形, 鲁棒性

Abstract:

Considering the problems of huge power consumption, spectrum scarcity, and secrecy transmission of future communication system, the satellite-terrestrial integrated network(STIN) has been considered as a promising architecture scheme due to its advantages of power consumption, spectral efficiency and overall deployment design. This paper investigates the energy efficiency(EE) maximization problem in STIN and proposes a secure beamforming scheme. By assuming that multiple eavesdroppers attempt to wiretap the satellite downlinks, and only statistical knowledge of wiretap channel state information is available, this paper aims at maximizing the EE of cellular user under the constraints of BS transmit power budget, signal-to-interference-plus-noise ratio(SINR) requirements of earth station and cellular user, and the outage-constrained SINR requirements of eavesdroppers. This paper proposes a robust hybrid beamforming scheme, and utilizes S-Procedure and Bernstein-type inequality methods to convert the nonconvex outage-based constraints into linear matrix inequalities and second-cone constraints. Then, Charnes-Cooper transformation and penalty function methods are adopted to transform the original NP-hard optimization problem into a convex one, and a two-layer iterative algorithm is proposed solve the problem and obtain digital and analog beamforming weight vectors. Simulation results verify that the proposed hybrid beamforming scheme can significantly enhance EE performance.

Key words: satellite-terrestrial integrated networks, energy efficiency, hybrid beamforming, robustness

中图分类号:

TN927

林志, 林敏, 黄清泉, 等. 能效最大化准则下的星地融合网络的安全波束成形算法[J]. 电子学报, 2022, 50(1): 124-134.

Zhi LIN, Min LIN, Qing-quan HUANG, et al. Secure Beamforming Algorithm in Satellite-Terrestrial Integrated Networks with Energy Efficiency Maximization Criterion[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(1): 124-134.

图/表 9

图1 星地融合网络下行传输模型

表1 系统参数

参数	含义
$K$	窃听者数量
$x (t)$ / $s (t)$	蜂窝用户/地面站所需的信号
$v$	基站处的数字波束成形矢量
$P$	基站处的模拟波束成形矩阵
$g s$	卫星至地面站链路的信道
$g k$	卫星至第k个窃听链路的信道
$h c$	基站至蜂窝用户链路的信道矢量
$h k$	基站至第k个窃听链路的信道矢量
$σ c$ / $σ s$ / $σ k$	蜂窝用户/地面站/第k个窃听处的背景噪声
$P s$	卫星的发射功率
$Γ s$ / $Γ c$	地面站/蜂窝用户的信干噪比要求
$Γ e$	窃听者的信干噪比限制
$ρ e$	窃听者的信干噪比中断概率限制
$P b$	基站处的发射功率限制
$μ$	基站处的能量传输效率
$P r$	基站处每条射频的电路功耗
$P a$	基站处每根天线的电路功耗

表1 系统参数

参数	含义
$K$	窃听者数量
$x (t)$ / $s (t)$	蜂窝用户/地面站所需的信号
$v$	基站处的数字波束成形矢量
$P$	基站处的模拟波束成形矩阵
$g s$	卫星至地面站链路的信道
$g k$	卫星至第k个窃听链路的信道
$h c$	基站至蜂窝用户链路的信道矢量
$h k$	基站至第k个窃听链路的信道矢量
$σ c$ / $σ s$ / $σ k$	蜂窝用户/地面站/第k个窃听处的背景噪声
$P s$	卫星的发射功率
$Γ s$ / $Γ c$	地面站/蜂窝用户的信干噪比要求
$Γ e$	窃听者的信干噪比限制
$ρ e$	窃听者的信干噪比中断概率限制
$P b$	基站处的发射功率限制
$μ$	基站处的能量传输效率
$P r$	基站处每条射频的电路功耗
$P a$	基站处每根天线的电路功耗

图2 基站天线阵模型

图3 混合波束成形归一化方向图

图4 微蜂窝用户实际切换系数与最小速率门限之间的关系

图5 蜂窝用户能量效率与基站发射功率门限的关系

图6 不同混合阵的模拟波束成形结构

图7 蜂窝用户能效与基站射频数的关系

图8 蜂窝用户能效与基站天线数的关系

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Secure Beamforming Algorithm in Satellite-Terrestrial Integrated Networks with Energy Efficiency Maximization Criterion

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