本發(fā)明涉及一種通信感知一體化(isac，integrated?sensing?andcommunication)系統(tǒng)的波束形成技術(shù)，尤其是涉及一種基于懲罰項(xiàng)的組播單播通信感知一體化安全波束形成方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng)，頻譜資源的寶貴性日益凸顯，已成為制約無(wú)線通信領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。與此同時(shí)，智能工業(yè)4.0、智慧城市構(gòu)建、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)的普及以及車聯(lián)網(wǎng)等前沿應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的綜合能力提出了前所未有的高要求：既要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸，確保信息的無(wú)縫流通；又要具備精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)感知能力，以支撐復(fù)雜多變的場(chǎng)景需求。然而，傳統(tǒng)的通信和感知系統(tǒng)通常獨(dú)立設(shè)計(jì)、獨(dú)立運(yùn)行，這不僅導(dǎo)致了頻譜資源的浪費(fèi)，還增加了硬件成本。在此背景下，通信感知一體化(isac)技術(shù)作為一種創(chuàng)新性的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，旨在打破通信與感知之間的界限，實(shí)現(xiàn)兩者的深度融合與協(xié)同工作。isac技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)能夠同時(shí)執(zhí)行通信和感知任務(wù)的智能系統(tǒng)，不僅顯著提升了頻譜資源的利用效率，減少了頻譜沖突和浪費(fèi)，還通過(guò)共享硬件平臺(tái)和信號(hào)處理算法，降低了isac系統(tǒng)的硬件成本。更重要的是，isac技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)融合通信數(shù)據(jù)與感知信息，為智能決策提供更加全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)向更高效、更智能、更靈活的方向發(fā)展，為智能時(shí)代下的各類應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

2、隨著isac技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)也逐漸浮出水面。無(wú)線通信信道的開放性使得信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到各種形式的干擾和攻擊，如竊聽、干擾和欺騙等，這些干擾和攻擊無(wú)疑會(huì)對(duì)isac系統(tǒng)的通信質(zhì)量和感知性能造成嚴(yán)重影響。在isac系統(tǒng)中，物理層作為無(wú)線通信系統(tǒng)的基石，其安全性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有決定性作用。然而，目前關(guān)于通信感知一體化物理層安全的研究工作大多局限于獨(dú)立的通信或感知對(duì)象，未能真正體現(xiàn)通信感知一體化的核心思想。因此，有必要對(duì)通信感知一體化中的安全波束進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證isac系統(tǒng)中通信信息的安全傳輸。

3、非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess，noma)作為一種先進(jìn)的無(wú)線多址接入技術(shù)，通過(guò)允許多個(gè)用戶在相同的時(shí)間、頻率或碼域上非正交地傳輸數(shù)據(jù)，顯著提高了系統(tǒng)的頻譜效率和用戶接入能力。目前的研究已經(jīng)將noma和isac相結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提升系統(tǒng)的整體性能。

4、現(xiàn)有的通信感知一體化系統(tǒng)中安全波束的設(shè)計(jì)方法，其對(duì)建立的安全波束優(yōu)化問題的矩陣秩一約束處理，常見的處理方法是利用半正定松弛(sdr)技術(shù)先忽略矩陣的秩為一的約束，然后求解秩一約束松弛后的安全波束優(yōu)化問題，隨后對(duì)求解出的半正定矩陣采用高斯隨機(jī)化對(duì)原優(yōu)化問題的秩一解進(jìn)行恢復(fù)。不過(guò)，采用高斯隨機(jī)化恢復(fù)秩一解可能會(huì)帶來(lái)一定程度上的性能損失，比如得到的秩一解可能不再滿足原優(yōu)化問題的約束條件。而對(duì)于noma技術(shù)，雖然能夠有效地提高通信性能，然而實(shí)際應(yīng)用中，由于技術(shù)或者設(shè)備的限制難以真正實(shí)現(xiàn)完美的noma解碼，需要考慮noma解碼不完美情況下的魯棒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于懲罰項(xiàng)的組播單播通信感知一體化安全波束形成方法，其考慮了noma解碼不完美對(duì)通信感知一體化系統(tǒng)造成的影響，保證了系統(tǒng)的魯棒性，其將半正定矩陣的跡與半正定矩陣的最大特征值之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成懲罰項(xiàng)，乘以懲罰因子放入目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行約束，未造成性能損失。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于懲罰項(xiàng)的組播單播通信感知一體化安全波束形成方法，其特征在于包括以下步驟：

3、步驟1：針對(duì)通信感知一體化系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)isac組播單播通信模型，該模型包括一個(gè)雙功能基站、兩個(gè)用戶、一個(gè)雷達(dá)目標(biāo)，雙功能基站配置有一個(gè)均勻線性陣列，雙功能基站用于同時(shí)執(zhí)行下行通信和感知任務(wù)，兩個(gè)用戶分別為通信用戶和雷達(dá)用戶，通信用戶僅需要與雙功能基站進(jìn)行通信，雷達(dá)用戶既需要與雙功能基站進(jìn)行通信又需要被雙功能基站感知，通信用戶與雙功能基站之間進(jìn)行通信的通信強(qiáng)度高于雷達(dá)用戶與雙功能基站之間進(jìn)行通信的通信強(qiáng)度，雷達(dá)目標(biāo)也會(huì)作為潛在竊聽者對(duì)雙功能基站與用戶之間的隱私通信進(jìn)行竊聽；

4、步驟2：雙功能基站同時(shí)向通信用戶和雷達(dá)用戶發(fā)送組播單播混合信號(hào)，通信用戶和雷達(dá)用戶各自接收雙功能基站發(fā)送的組播單播混合信號(hào)，組播單播混合信號(hào)中組播信號(hào)的功率大于單播信號(hào)的功率；將雙功能基站發(fā)送的組播單播混合信號(hào)x表示為x＝wmsm+wusu，將通信用戶接收到的信號(hào)yc表示為將雷達(dá)用戶接收到的信號(hào)yr表示為在通信用戶既需要組播信號(hào)又需要單播信號(hào)，且組播信號(hào)的功率大于單播信號(hào)的功率的前提下，通信用戶將組播信號(hào)作為強(qiáng)信號(hào)，利用noma先解碼組播信號(hào)，將通信用戶處的組播信號(hào)接收信干噪比表示為并根據(jù)通信用戶處的組播信號(hào)接收信干噪比，計(jì)算通信用戶處的組播通信可達(dá)速率然后利用noma的干擾消除技術(shù)從yc中消除掉組播信號(hào)對(duì)單播信號(hào)造成的干擾，將通信用戶處的單播信號(hào)接收信干噪比表示為并根據(jù)通信用戶處的單播信號(hào)接收信干噪比，計(jì)算通信用戶處的單播通信可達(dá)速率在雷達(dá)用戶僅需要組播信號(hào)的前提下，將雷達(dá)用戶處的組播信號(hào)接收信干噪比表示為并根據(jù)雷達(dá)用戶處的組播信號(hào)接收信干噪比，計(jì)算雷達(dá)用戶處的組播通信可達(dá)速率其中，wmsm表示x中的組播信號(hào)，sm表示組播信息承載符號(hào)，wm表示sm的波束形成向量，wusu表示x中的單播信號(hào)，su表示單播信息承載符號(hào)，wu表示su的波束形成向量，sm和su均具有單位功率并且互相獨(dú)立，wm和wu的維度為n×1，n表示雙功能基站配置的均勻線性陣列的天線數(shù)量，hbc表示雙功能基站到通信用戶的信道，()h為共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，nc表示通信用戶處接收到的加性高斯白噪聲，nc服從均值為0且方差為的復(fù)高斯分布，hbr表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的視距信道，nr表示雷達(dá)用戶處接收到的加性高斯白噪聲，nr服從均值為0且方差為的復(fù)高斯分布，||為取模運(yùn)算符號(hào)，ψ表示組播信號(hào)解碼不完美的因子，ψ∈[0,1)，ψ＝0時(shí)表示通信用戶對(duì)組播信號(hào)完美解碼，ψ＞0時(shí)表示通信用戶對(duì)組播信號(hào)不完美解碼；

5、雙功能基站復(fù)用發(fā)送的組播單播混合信號(hào)對(duì)雷達(dá)用戶以及雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行感知，將波束增益作為通信感知一體化系統(tǒng)感知性能的衡量指標(biāo)，將雷達(dá)用戶處的波束增益b(θr)表示為b(θr)＝ah(θr)rxa(θr)，將雷達(dá)目標(biāo)處的波束增益b(θt)表示為b(θt)＝ah(θt)rxa(θt)；雙功能基站對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行感知的過(guò)程中作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽單播信號(hào)，將作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽到的信號(hào)yt表示為在作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)不知道通信用戶利用noma解碼的解碼順序的前提下，將作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)處的單播信號(hào)接收信干噪比表示為并根據(jù)作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)處的單播信號(hào)接收信干噪比，計(jì)算作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)處的單播信號(hào)竊聽速率其中，θr表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的方位角，a(θr)表示雙功能基站配置的均勻線性陣列朝向θr處的導(dǎo)向矢量，e為自然常數(shù)，j為虛數(shù)單位，d表示雙功能基站配置的均勻線性陣列的天線間距，λ表示載波波長(zhǎng)，()t為轉(zhuǎn)置運(yùn)算，rx表示x的協(xié)方差矩陣，θt表示雙功能基站到作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的方位角，a(θt)表示雙功能基站配置的均勻線性陣列朝向θt處的導(dǎo)向矢量，hbt表示雙功能基站到作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的視距信道，nt表示作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)處接收到的加性高斯白噪聲，nt服從均值為0且方差為的復(fù)高斯分布；

6、步驟3：基于步驟2，構(gòu)建混合組播單播安全通信波束優(yōu)化問題p1，描述為：

7、

8、其中，tr()表示求矩陣的跡，表示單播通信速率閾值，表示組播通信速率閾值，表示單播信號(hào)竊聽速率閾值，ρt表示雷達(dá)目標(biāo)波束增益閾值，ρr表示雷達(dá)用戶波束增益閾值；

9、步驟4：對(duì)于步驟3構(gòu)建的混合組播單播安全通信波束優(yōu)化問題p1，定義其中，和均為半正定矩陣，且滿足條件：rank()表示求矩陣的秩，為和的秩一約束；

10、步驟5：針對(duì)和的秩一約束，將半正定矩陣的跡和半正定矩陣的最大特征值之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成懲罰項(xiàng)放入步驟3構(gòu)建的混合組播單播安全通信波束優(yōu)化問題p1的目標(biāo)函數(shù)中，目標(biāo)函數(shù)改寫為：然后利用半正定矩陣的最大特征值的近似解，再次將目標(biāo)函數(shù)改寫為：其中，λmax()表示求矩陣的最大特征值，η表示懲罰項(xiàng)的懲罰因子，為的近似解，νn表示第n次迭代時(shí)的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，n為迭代次數(shù)，n＝1,2,…；

11、步驟6：在步驟5的基礎(chǔ)上，將最終的優(yōu)化問題p2描述為：最終的優(yōu)化問題p2為凸優(yōu)化問題；然后設(shè)置η的初始值，通過(guò)迭代，并利用凸優(yōu)化求解器對(duì)凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解，在每次迭代過(guò)程中更新η的值，在滿足收斂條件后迭代結(jié)束，得到wu和wm各自的最優(yōu)解。

12、所述步驟2中，將hbc建模為萊斯信道模型，其中，k為萊斯因子，表示雙功能基站到通信用戶的視距信道分量，表示雙功能基站到通信用戶的非視距信道分量，服從均值為0且方差為1的復(fù)高斯分布。

13、所述步驟2中，hbr和hbt均建模為視距鏈路，其中，φr表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的路徑損耗，φr＝ldr-2.4，l表示單位距離的路徑損耗，dr表示雙功能基站與雷達(dá)用戶之間的距離，φt表示雙功能基站到作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的路徑損耗，φt＝ldt-2.4，dt表示雙功能基站與雷達(dá)目標(biāo)之間的距離。

14、所述步驟6中，迭代求解wu和wm各自的最優(yōu)解的具體過(guò)程為：

15、步驟6.1：令n表示迭代次數(shù)，n的初始值為1；設(shè)置η的初始值；

16、步驟6.2：利用凸優(yōu)化求解器對(duì)凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到第n次迭代時(shí)wu和wm各自的解，對(duì)應(yīng)記為wu,n和wm,n；

17、步驟6.3：判斷收斂條件是否滿足，如果滿足，則迭代結(jié)束，得到wu和wm各自的最優(yōu)解，wu的最優(yōu)解為wu,n，wm的最優(yōu)解為wm,n；如果不滿足，則更新η的值，將第n次迭代時(shí)η的值乘以更新步長(zhǎng)得到的值作為第n+1次迭代時(shí)η的值，然后令n＝n+1，再返回步驟6.2繼續(xù)執(zhí)行；其中，∈為預(yù)設(shè)的收斂閾值，n＝n+1中的“＝”為賦值符號(hào)。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

19、1)本發(fā)明方法中，雙功能基站需要與通信用戶和雷達(dá)用戶進(jìn)行混合組播單播通信，并且同時(shí)感知雷達(dá)用戶和雷達(dá)目標(biāo)，相比于以往感知對(duì)象僅需要被感知而不用與之通信，本發(fā)明方法涉及兩種類型的感知對(duì)象，即雷達(dá)用戶以及雷達(dá)目標(biāo)，雷達(dá)用戶是既需要被雙功能基站感知，又需要與雙功能基站進(jìn)行通信，即雷達(dá)用戶集通信和感知于一身，雷達(dá)目標(biāo)為普通目標(biāo)僅需要被雙功能基站感知，不需要與之通信，這兩種類型的感知對(duì)象，即有感知和通信獨(dú)立，又有感知和通信融合，充分考慮了isac組播單播通信模型的多樣性。

20、2)本發(fā)明方法考慮了由于受技術(shù)或設(shè)備的限制而導(dǎo)致的noma解碼不完美對(duì)通信感知一體化系統(tǒng)造成的影響，保證了系統(tǒng)的魯棒性。

21、3)本發(fā)明方法對(duì)于組播、單播波束優(yōu)化問題中半正定矩陣秩一約束的處理方式，未采用常用的半正定松弛技術(shù)松弛掉秩一約束加高斯隨機(jī)化方法，而是將半正定矩陣的跡與半正定矩陣的最大特征值之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成懲罰項(xiàng)，乘以懲罰因子放入目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行約束，保證了求得半正定矩陣滿足秩一約束，即是原問題的可行解，未造成性能損失。