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noma(non-orthogonal?multipleaccess，非正交多址接入)輔助具有組播單播通信感知一體化的安全波束形成方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量呈爆炸性增長，頻譜資源的緊缺成為了無線通信領(lǐng)域亟待解決的問題。同時，隨著智慧城市、智能工業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新興技術(shù)的發(fā)展，對于無線通信系統(tǒng)不僅要求具備高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，還需要具備實(shí)時、準(zhǔn)確的感知能力。然而，傳統(tǒng)的通信和感知系統(tǒng)往往是獨(dú)立設(shè)計和運(yùn)行的，這導(dǎo)致了一些頻譜資源的浪費(fèi)和硬件成本的增加。

2、在這種背景下，isac技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。isac技術(shù)旨在將通信和感知兩個功能進(jìn)行融合，通過共享頻譜資源以及硬件平臺，實(shí)現(xiàn)通信和感知功能的協(xié)同工作。isac技術(shù)通過共享頻譜資源，使得系統(tǒng)能夠同時利用同一頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并執(zhí)行感知任務(wù)，從而提高頻譜的利用率。此外，通過通信和感知之間共享硬件平臺，isac技術(shù)降低了設(shè)備的成本，減少了硬件資源的浪費(fèi)。綜上所述，isac技術(shù)通過深度融合通信和感知功能，解決了頻譜資源緊張、硬件成本高昂以及系統(tǒng)性能受限等問題，為無線通信技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方向。

3、然而，隨著isac技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其面臨的安全挑戰(zhàn)也日益凸顯。由于無線通信信道的開放性，因此信號在傳輸過程中容易受到各種干擾和攻擊，如竊聽、干擾、欺騙等。這些干擾和攻擊會嚴(yán)重影響isac系統(tǒng)的通信質(zhì)量和感知性能，甚至直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，現(xiàn)有的關(guān)于isac物理層安全的研究工作中通信和感知的對象往往是分開的，并未真正實(shí)現(xiàn)通信感知一體化，而且isac系統(tǒng)中的安全波束設(shè)計往往是要求基站額外發(fā)送人工噪聲對竊聽者進(jìn)行干擾，由于人工噪聲不攜帶任何有用信息，因此這會造成不必要的功率消耗。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，通信信道狀態(tài)信息是難以完美獲得的，需要考慮通信信道存在誤差情況下系統(tǒng)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noma輔助具有組播單播通信感知一體化的安全波束形成方法，其將雷達(dá)用戶既作為被感知的對象也作為與雙功能基站通信的對象，將通信和感知融合到一起，真正實(shí)現(xiàn)通信感知一體化，且利用組播信號而不是利用不攜帶任何信息的人工噪聲來防止單播信號被作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽，節(jié)省了不必要的功率損耗，其在雙功能基站到通信用戶的信道中引入了有界誤差，且考慮雷達(dá)目標(biāo)的存在區(qū)域?yàn)橐粋€連續(xù)角度區(qū)域而不是一個固定的點(diǎn)，提高了通信感知一體化系統(tǒng)的魯棒性。

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noma輔助具有組播單播通信感知一體化的安全波束形成方法，其特征在于包括以下步驟：

3、步驟1：針對通信感知一體化系統(tǒng)，構(gòu)建一個isac組播單播通信模型，該模型包括一個雙功能基站、兩個用戶、一個雷達(dá)目標(biāo)，雙功能基站配置有一個均勻線性陣列，雙功能基站用于執(zhí)行通信和感知任務(wù)，兩個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)也會作為潛在竊聽者對雙功能基站與用戶之間的隱私通信進(jìn)行竊聽；

4、步驟2：雙功能基站同時向通信用戶和雷達(dá)用戶發(fā)送組播單播混合信號，作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽單播信號，同時雙功能基站利用發(fā)送的組播單播混合信號對雷達(dá)用戶以及雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行感知，組播單播混合信號分別經(jīng)過雷達(dá)用戶以及雷達(dá)目標(biāo)反射后雙功能基站接收到雷達(dá)回波信號；將雙功能基站發(fā)送的組播單播混合信號x表示為x＝wmsm+wusu，將通信用戶接收到的信號yc表示為將雷達(dá)用戶接收到的信號yr表示為將作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽到的信號yt表示為將雙功能基站接收到的雷達(dá)回波信號ybs表示為ybs＝ζtαa(θt)ah(θt)x+ζrβa(θr)ah(θr)x+n；其中，組播單播混合信號中組播信號的功率大于單播信號的功率，wmsm表示x中的組播信號，sm表示組播信息承載符號，wm表示sm的波束形成向量，wusu表示x中的單播信號，su表示單播信息承載符號，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，hc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的方差為表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的信道，β表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的路徑損耗，θr表示雙功能基站到雷達(dá)用戶的方位角，a(θr)表示雷達(dá)用戶的導(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，n表示雙功能基站配置的均勻線性陣列的天線數(shù)量，()t為轉(zhuǎn)置運(yùn)算，nr表示雷達(dá)用戶處接收到的加性高斯白噪聲，nr的方差為表示雙功能基站到作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的信道，α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，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)表示作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的導(dǎo)向矢量，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的方差為ζt表示雷達(dá)目標(biāo)的反射系數(shù)，ζr表示雷達(dá)用戶的反射系數(shù)，n表示ybs的噪聲，n的方差為σ2；

5、步驟3：在通信用戶既需要組播信號又需要單播信號，且組播信號的功率大于單播信號的功率的前提下，通信用戶利用noma先解碼組播信號，并且利用noma的干擾消除技術(shù)消除掉組播信號對單播信號造成的干擾，將通信用戶處的組播信號接收信干噪比sinrc,m表示為將通信用戶處的單播信號接收信干噪比sinrc,u表示為在雷達(dá)用戶僅需要組播信號的前提下，將雷達(dá)用戶處的組播信號接收信干噪比sinrr,m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)處的單播信號接收信干噪比sinrt,u表示為在雷達(dá)目標(biāo)的權(quán)重向量ut與雷達(dá)用戶的導(dǎo)向矢量a(θr)呈正交關(guān)系，雷達(dá)用戶的權(quán)重向量ur與作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的導(dǎo)向矢量a(θt)呈正交關(guān)系的前提下，將雙功能基站處雷達(dá)目標(biāo)的輸出信干噪比sinrbs,t，將雙功能基站處雷達(dá)用戶的輸出信干噪比sinrbs,r，再將通信用戶處的組播信號通信速率rc,m表示為將通信用戶處的單播信號通信速率rc,u表示為將雷達(dá)用戶處的組播信號通信速率rr,m表示為將作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)處的單播信號竊聽速率rt,u，其中，||為取模運(yùn)算符號，tr()表示求矩陣的跡，表示組播單播混合信號x的協(xié)方差矩陣，a(θt)和a(θr)均為引入的中間量，a(θt)＝a(θt)ah(θt)，a(θr)＝a(θr)ah(θr)；

6、步驟4：在滿足通信用戶和雷達(dá)用戶的組播單播混合通信性能，雷達(dá)用戶和雷達(dá)目標(biāo)的感知性能，并且抑制作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)的單播竊聽性能的條件下，建立功率最小化優(yōu)化問題，描述為：

7、

8、其中，pt為功率最小化優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，pt表示雙功能基站的發(fā)射功率，

9、ηu表示單播信號通信速率閾值，ηm表示組播信號通信速率閾值，ηt表示單播信號竊聽速率閾值，γt表示雷達(dá)目標(biāo)輸出信干噪比閾值，γr表示雷達(dá)用戶輸出信干噪比閾值，θt表示雷達(dá)目標(biāo)的存在區(qū)域，是一個連續(xù)角度區(qū)域，表示雙功能基站到通信用戶的信道估計值，δc表示雙功能基站到通信用戶的信道估計誤差，是一個有界誤差，δc滿足條件||δc||2≤∈c，||||2為二范數(shù)運(yùn)算符號，∈c為閾值；

10、步驟5：針對步驟4建立的功率最小化優(yōu)化問題，對θt進(jìn)行離散化松弛處理，并利用s-引理帶入δc，將約束c1改寫成半正定矩陣形式將約束c2改寫成半正定矩陣形式再利用半正定松弛技術(shù)將θt離散化松弛且約束c1和約束c2改寫后的功率最小化優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成凸優(yōu)化問題；之后利用凸優(yōu)化求解器對凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得到wu和wm各自的解；其中，gu和gm為引入的中間量，ru和rm為引入的中間量，λu和λm為引入的非負(fù)的輔助變量，in表示n階的單位矩陣。

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

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

13、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)行組播單播混合信號通信，并且復(fù)用發(fā)射的組播單播混合信號執(zhí)行感知任務(wù)，在滿足通信感知一體化系統(tǒng)中通信用戶和雷達(dá)用戶的通信性能要求以及雷達(dá)用戶和雷達(dá)目標(biāo)的感知性能要求下，對通信感知一體化系統(tǒng)中混合組播單播通信的物理層安全進(jìn)行了研究，相比于以往通信感知一體化系統(tǒng)中僅對雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行感知，本發(fā)明方法考慮雷達(dá)用戶，雙功能基站對其既進(jìn)行通信又執(zhí)行感知任務(wù)，即通信和感知的對象是同一個，真正實(shí)現(xiàn)了通信感知一體化，在這種場景下研究通信感知一體化系統(tǒng)的物理層安全，提出利用組播信號而不是利用不攜帶任何信息的人工噪聲來防止單播信號被作為潛在竊聽者的雷達(dá)目標(biāo)竊聽，相比于利用人工噪聲，不僅可以節(jié)省不必要的功率損耗，而且能夠保護(hù)更為隱私的單播信號不被潛在竊聽者竊聽，同時組播信號也能與用戶進(jìn)行安全地信息傳輸。

14、2)本發(fā)明方法適合復(fù)雜的地面場景，建立功率最小化優(yōu)化問題時考慮到實(shí)際應(yīng)用中，通信用戶的信道狀態(tài)信息難以完美獲得，對于雙功能基站到通信用戶的信道的建模引入了有界誤差，能夠保證通信感知一體化系統(tǒng)的魯棒性。

15、3)本發(fā)明方法考慮雷達(dá)目標(biāo)的存在區(qū)域?yàn)橐粋€連續(xù)角度區(qū)域而不是一個固定的點(diǎn)，能夠提高通信感知一體化系統(tǒng)的魯棒性。