一种感知增强的通扰一体化稳健波束形成方法及系统

本发明属于无线通信，具体涉及感知增强的通扰一体化稳健波束形成方法及系统。

背景技术：

1、近年来，由于无线设备呈现指数级增长，无线频谱变得愈加拥挤且竞争愈加激烈，多个合法和非法用户共存于同一频谱已经不可避免。为了在保证合法用户的通信质量，同时主动降低非法用户的通信质量，通信与干扰一体化技术逐渐引起了研究者们的关注。

2、先前的大多数研究是基于非法或对抗性用户的先验信息确切已知的条件下进行干扰。实际上，面向非合作系统，为了获得准确的信息，感知起着关键作用。最近，将感知、通信和干扰三者结合起来的工作开始起步。调研发现，现有研究主要采用雷达感知来定位被动窃听者，然而，当面对主动非法通信网络时，不仅需要感知非法通信的位置，还需要拦截其通信信号，以生成适当的干扰策略。在这种情况下，如何通过感知非法网络以实现有效的干扰同时保证合法通信的质量是一个基础性但尚未被广泛研究的方向。

3、从系统优化的角度来看，波束形成设计在多天线系统中是一种很有前途的技术。无论是在通信系统还是干扰系统中，传输能耗都是一个十分重要的指标。因此，在感知增强的通信与干扰系统中，为了降低传输能耗，有必要仔细设计波束形成。然而，如何平衡通信性能和干扰性能是一个挑战，特别是当通信和非合作干扰链路的信道状态信息估计都存在误差的情况下。

技术实现思路

1、本发明提供了一种感知增强的通扰一体化稳健波束形成方法及系统，平衡通信性能和干扰性能，能够显著降低系统传输能耗，且可以拓展至大规模场景。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种感知增强的通扰一体化稳健波束形成方法，包括：

4、基于应用场景构建通信和干扰一体化模型；在时隙ts内持续感知并确认正在工作的可疑通信组数量和合法接收机数量，其中，正在工作的可疑通信组数量记为q，正在工作的合法接收机数量记为k；在时隙tcj内控制基站与k个合法接收机进行通信，并同时对q个可疑通信组进行干扰；

5、以基站在时隙t内传输所消耗的总能量最小为目标，建立最坏情况下的能量最小化优化问题p1，其中，时隙t＝时隙ts+时隙tcj；

6、通过对能量最小化优化问题p1进行优化求解获得最小传输能耗e(l)及其对应的通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵

7、优选的，建立最坏情况下的能量最小化优化问题p1，表达公式为：

8、

9、公式中，其中，wk分别表示用于给第k个合法接收机发送通信信号的波束赋形向量，表示为基站发送给第k个合法接收机发送通信信号的发射功率，vq,m表示用于给第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机发送干扰信号的波束赋形向量，表示为基站发送给第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机干扰信号的发射功率，表示为第k个合法接收机的平均速率，σk表示第k个合法接收机最低的平均可达速率，a(ξa)表示为基站和合法接收机之间通信链路的实际信道增益，k表示为合法接收机序列号集合，表示为第k个合法接收机以及第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的平均速率，ζq,m表示第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的最大平均可达速率；b(ξb)表示为基站和可疑通信组之间干扰链路的实际信道增益，q表示为可疑通信组序列号集合，m表示为可疑接收机序列号集合。

10、优选的，第k个合法接收机的平均速率的表达公式为：

11、

12、

13、公式中，gql,k表示第q个可疑通信组中的发射机到第k个合法接收机的信道增益，dq,k表示第q个可疑通信组中的发射机到第k个合法接收机的距离，α表示路径衰落指数；dll,k表述为基站到第k个合法接收机的距离；hll,k表示为基站到第k个合法接收机的信道增益；(·)h表示向量或者矩阵的共轭转置；表示为第q个可疑通信组中发射机的发射信号的发射功率；n0表示为噪声方差。

14、优选的，第k个合法接收机以及第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的平均速率的表达公式为：

15、

16、

17、

18、公式中，gqq,m表示第q个可疑通信组中的发射机到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的信道增益；dqq,m表示第q个可疑通信组中的发射机到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的距离；dlq,m表示基站到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的距离；hlq,m表示基站到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的信道增益；表述为第q'个可疑通信组中发射机的发射信号的发射功率；表示第q'个可疑通信组中的发射机到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的距离；表示为第q'个可疑通信组中的发射机到第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的信道增益。

19、优选的，基站和合法接收机之间通信链路、基站和可疑通信组之间干扰链路的实际信道增益的表达公式为：

20、

21、

22、其中，和分别表示信道矢量和的估计值，和表示信道估计误差，ξa和ξb是基站已知误差的不确定半径。

23、优选的，通过对能量最小化优化问题p1进行优化求解获得最小传输能耗e(l)及其对应的通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵的方法包括：

24、将能量最小化优化问题p1可以近似为：

25、

26、其中，φ＝[φ1，1，…φq，m，…，φq，m]t≥0；rk＝ak，

27、i(nlt)表示为单位矩阵；

28、

29、μa＝[μa,1,…,μa,k,…,μa,k]t≥0；φq,m、μa,k和λk分别表示为引入的辅助变量；和表示为零向量；i(k-1+q×m)表示为单位矩阵；

30、对通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵初始化为通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵将迭代次数l设置为0；

31、基于通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵计算出初始传输能耗e(0)，表达公式为：

32、更新通信波束形成矩阵干扰波束形成矩阵和迭代次数l；重复迭代直到(e(l-1)-e(l))/e(l-1)≤ψ0，ψ0表示为设定阈值；输出通信波束形成矩阵干扰波束形成矩阵和传输能耗e(l)。

33、本发明第二方面提供了一种基于感知增强的通扰一体化稳健波束形成系统，包括：

34、感知模块，用于在时隙ts内持续感知并确认正在工作的可疑通信组数量和合法接收机数量，基于应用场景构建通信和干扰一体化模型；其中，正在工作的可疑通信组数量记为q，正在工作的合法接收机数量记为k；在时隙tcj内控制基站与k个合法接收机进行通信，并同时对q个可疑通信组进行干扰；

35、优化模块，用于以基站在时隙t内传输所消耗的总能量最小为目标，建立最坏情况下的能量最小化优化问题p1，其中，时隙t＝时隙ts+时隙tcj；

36、输出模块，通过对能量最小化优化问题p1进行优化求解获得最小传输能耗e(l)及其对应的通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵

37、优选的，优化模块用于建立最坏情况下的能量最小化优化问题p1，表达公式为：

38、

39、s.t.c1：

40、c2：

41、公式中，其中，wk分别表示用于给第k个合法接收机发送通信信号的波束赋形向量，表示为基站发送给第k个合法接收机发送通信信号的发射功率，vq,m表示用于给第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机发送干扰信号的波束赋形向量，表示为基站发送给第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机干扰信号的发射功率，表示为第k个合法接收机的平均速率，σk表示第k个合法接收机最低的平均可达速率，a(ξa)表示为基站和合法接收机之间通信链路的实际信道增益，k表示为合法接收机序列号集合，表示为第k个合法接收机以及第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的平均速率，ζq,m表示第q个可疑通信组中的第m个可疑接收机的最大平均可达速率；b(ξb)表示为基站和可疑通信组之间干扰链路的实际信道增益，q表示为可疑通信组序列号集合，m表示为可疑接收机序列号集合。

42、本发明第三方面提供了电子设备包括存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行本发明第一方面所述的方法。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果：

44、本发明在时隙ts内持续感知并确认正在工作的可疑通信组数量和合法接收机数量，在时隙tcj内控制基站与k个合法接收机进行通信，并同时对q个可疑通信组进行干扰；以基站在时隙t内传输所消耗的总能量最小为目标，建立最坏情况下的能量最小化优化问题p1；通过对能量最小化优化问题p1进行优化求解获得最小传输能耗e(l)及其对应的通信波束形成矩阵和干扰波束形成矩阵平衡通信性能和干扰性能，能够显著降低系统传输能耗，且可以拓展至大规模场景。