[发明专利]一种认知无线电网络中面向安全通信的波束成形方法

权利要求书

1.一种认知无线网络中安全通信的波束成形方法，其特征在于，所述方法包括：

通过对约束条件和目标函数的优化，获取最优波束成形权矢量；

通过最优波束成形权矢量对信号进行加权相加，得到成形波束；

所述约束条件包括：次级网络中窃听用户的信号接收为零；次级网络对主用户的干扰小于给定门限值；

所述目标函数如下所示：

其中，p_t为次级网络发送端发送功率，h_s为次级网络中发送端与次级用户之间的信道矢量，w为波束成形权矢量，表示为次级用户接收到的噪声功率；

所述目标函数的优化过程包括：

根据约束条件和目标函数建立优化问题；

将所述优化问题转化为半正定规划问题；

通过内点法对半正定规划问题进行求解，获得最佳波束成形权矢量矩阵；

根据最佳波束成形权矢量矩阵获取待求权矢量；

所述优化问题为：

s.t.||w||²≤p_t

h_evei^Tw＝0,i＝1,…,K

其中，p_t为次级网络发送端发送功率，h_s为次级网络中发送端与次级用户之间的信道矢量，w为波束成形权矢量，表示为次级用户接收到的噪声功率，I_th为信噪比门限值，h_p为次级网络发送端和主用户之间的信道矢量，h_evei为发送端与窃听者之间的信道矢量；

所述最佳波束成形权矢量矩阵的获取过程如下：

令噪声功率将优化问题转化为：

maxp_twQw^H

s.t.||w||²≤p_t

p_twRw^H≤I_th

其中，Q为发送端到次级用户的信道矩阵，R为发送端到主用户的信道矩阵，p_t为次级网络发送端发送功率，h_s为次级网络中发送端与次级用户之间的信道矢量，w为波束成形权矢量，表示为次级用户接收到的噪声功率，I_th为信噪比门限值，h_p为次级网络发送端和主用户之间的信道矢量，H_e为信道窃听矩阵；

根据最优波束成形权矢量将优化问题转化为二次约束二次规划问题：

max p_ttr(Q₁U)

s.t.tr(R₁U)≤I_th

tr(F₁U)≤p_t

U≥0,rank(U)＝1

其中，Q₁＝F^HQF，R₁＝F^HRF，F₁＝F^HF，U＝uu^H，Q₁为F^HQF的换算矩阵，U为待求权矢量矩阵，R₁为F^HRF的换算矩阵，F₁为F^HF的换算矩阵，F为的换算矩阵，I_N为N维单位向量，u为待求权矢量；

对rank(U)＝1项进行松弛，将二次约束二次规划问题转化为半正定规划问题，则：

max p_ttr(Q₁U)

s.t.p_ttr(R₁U)≤I_th

tr(F₁U)≤p_t

U≥0

通过内点法对所述半正定规划问题进行求解，获取待求权矢量矩阵的最佳波束成形权矢量矩阵；

所述待求权矢量的获取过程如下：

令r＝rank(U^*)，则有：

则：

令近似U^*，则：

其中，U^*为最佳波束成形权矢量矩阵，λ_i为矩阵U^*的特征值，v_i为特征值对应的特征向量，U^*₁为U^*的近似矩阵；

所述最优波束成形权矢量的计算公式如下：

其中，w_opt为最优波束成形权矢量，I_N为N阶单位向量，u为N×1维的待求复向量。