(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211085072.1 (22)申请日 2022.09.06 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 王熠晨　焦晓芬　刘昊天　王璋楠　 王奕欣　王弢　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 王艾华 (51)Int.Cl. H04B 7/06(2006.01) H04W 52/02(2009.01) H04W 72/04(2009.01) H04W 84/06(2009.01)H04L 9/40(2022.01) (54)发明名称 基于动态波束分配的安全波束成形方法及 系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于动态波束分配的安 全波束成形方法及系统， 本发明方法通过动态波 束分配并在大规模低轨卫星星座的发射端设计 总发射功率最小化的波束成形方法， 以大规模多 波束低轨卫星星座系统中各用户的安全速率不 小于最小安全速率 各用户的信干噪比不小 于最小信干噪比 卫星发射功率受限于Pth， 卫 星星座为用户提供服务的波束数目小于Uk作为 约束条件， 建立卫星星座总发射功率最小化的优 化问题并进行求解， 在保证各个用户安全传输的 条件下使卫星星座的总发射功率最小化。 通过动 态波束分配与合理设计大规模低轨卫星星座发 射信号的波束成形系数保障了系统中卫星用户 的安全传输 。 权利要求书3页 说明书18页 附图3页 CN 115499047 A 2022.12.20 CN 115499047 A 1.一种基于动态波 束分配的安全波 束成形方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 对大规模多波束低轨卫星星座系统中的信号传输模型进行建模与分析， 根据 各卫星用 户处的接收信号计算 其接收信干噪比， 从而计算出 各个用户的安全速率； 以大规模多波束低轨卫星星座系统中各用户的安全速率不小于最小安全速率 各用 户的信干噪比不小于最小信干噪比 卫星发射功率受限于各个卫星的最大发射功率Pth 以及卫星星座为用户提供服务的波束数目小于Uk作为约束条件， 建立卫星星座总发射功率 最小化的优化问题； 固定波束分配变量， 将所述优化问题转换为一个凸的二阶锥规划问题， 从而能够进行 求解得到卫星的发射波束成形向量， 波束分配变量将通过遗传算法搜索得到最优解， 最终 卫星星座将根据优化问题求得的最优解进行波 束分配与波 束成形并完成数据传输 。 2.根据权利要求1所述的基于动态波束分配的安全波束成形方法， 其特征在于， 在一个 大规模多波束低轨卫星星座中， 卫星用户及窃听者均为单天线用户， 单个卫星能产生N个波 束， 这N个波束服务的总区域构成单卫星的通信范围， 每个波束的直径为D， 窃听者与合法用 户的距离为 εD， 0.15≤ ε＜1， 在该系统中， 有K个用户随机分布在一个圆形区域内， 所述圆形 区域中的用户位于此星座的多个LEO卫星的通信覆盖范围中， 该星座中卫星能够与用户通 信的最小仰角为α， 当卫星相对用户的仰角大于α 时， 卫星便可以向用户传输信号， 通信范围 能够覆盖到K个用户中任一用户的卫星集合表示为 集合 中包含J个卫星的 编号， 即 用户k同时位于Qk个卫星的覆盖范围内， 将该卫星集合表示为 将相对用户k 的仰角大于0的卫星集合表示为 当用户k位于卫 星j的通信范围内时， 利用直接覆盖用户k的波束以及该波束的相 邻波束进行传输都有可能 为用户k提供较高的信噪比， 单个卫星能够为用户提供服务的波束数目不小于一， 将卫星j 能够为用户k提供服务的波束集合表示为 该星座系统最多能够利用 个波束为用户k传输有用信号； 该星座内的所有LEO卫星能够共享用户的传输信息， 卫星的同一波束能服务多个用户， 而一个用户也能接 收来自多个波束的信号， 该星座中所有卫星均工作在同一频段上， 同一 卫星的不同波束之间采用全频复用的方式， 不同用户之间的通信将会互相 干扰， 卫星用户 通信时会被其附近的一个窃听者窃听， 网络中的所有波束资源需进行实时动态的分配并结 合波束成形技术来实现用户的安全传输， 卫星系统星载针对单用户的传输， 最多能够处理 的波束数目为Ok， 用户k的通信需由至少1个波束完成， 且波束数目最多不超过Uk＝min{Ik, Ok}。 3.根据权利要求1所述的基于动态波束分配的安全波束成形方法， 其特征在于， 解算过 程中， 根据大规模多波束低轨卫星星座中卫星链路均为静态慢衰落信道以及不同波束间的 信道是独立的， 得到卫星下 行信道。 4.根据权利要求1所述的基于动态波束分配的安全波束成形方法， 其特征在于， 各用户 处的接收信号计算出用户处的接收信干噪比， 以用户k及对用户k进行窃听的窃听者ek处的 接收信干噪比为例， 用户k与窃听者ek处的接收信干噪比 和 最终能够将用户k处的接 收安全速率Ck为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115499047 A 25.根据权利要求1所述的基于动态波束分配的安全波束成形方法， 其特征在于， 卫星星 座总发射功率 最小化的优化问题为： 式中， 表示来自卫星j的第i个波束是否携带用户k的有用信号， 表示来自卫星j的 波束i向用户k发射有用信号的波束成形系数， 表示卫星j能够为用户k提供服务的波束 集合， Ck表示用户k处的接收安全速率， 表示用户k能够达到通信安全所需的最小安全速 率； 表示用户集合： 表示用户k与窃听者ek处的接收信 干噪比， 表示用户k能成功解码信号所需的最小SINR； Pth表示各卫星的最大 发射功率， 表示系统中的卫星集合， Uk表示卫星系统针对单用户的传输最多能够处理的波束数目， Qk表 示位于用户k可视范围内的卫星 数目； 约束条件(9b)表 示对各用户的通信安全速率约束； 约 束条件(9c)表示对各用户的接收SINR约束； 约束条件(9d)表示对各个卫星的功率约束； 约 束条件(9e)表示卫星向用户k传输信号用到的波束数目和的约束； 约束条件(9f)表示用于 向用户传输有用信号的波 束分配准则约束。 6.根据权利要求5所述的基于动态波束分配的安全波束成形方法， 其特征在于， 固定所 述优化问题中的波 束分配变量 将所述优化问题转换为如下凸优化问题： (14d),(14e)     (d) 式中， 记可用波束向用户k传输信号sk时的波束成形向量为wk， Wk表示由该向量求得的 半定松弛变量， hk表示卫星系统用于向用户k传输有用 信号的波束对用户k的权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115499047 A 3