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摘要：本发明提供一种基于队列稳定性约束的空天地一体化网络中鲁棒安全波束成形方法，包括获取信道状态信息，基于信道状态信息，采用多播技术构建卫星、无人机和地面通信系统覆盖范围内的用户的信号传输方案；基于信号传输方案，获取卫星和基站在传输之前的缓存区状态数据，构建数据队列；基于信号传输方案和数据队列，构建联合优化问题；采用李雅普诺夫优化技术，将联合优化问题转化为单时隙功率的最小化问题；依序采用伯恩斯坦不等式和连续凸近似算法，对最小化问题进行求解，得到卫星、无人机和基站的波束成形权矢量。本发明在确保系统动态稳定性的同时，提高空天地一体化网络系统的安全性能。

主权项：1.一种基于队列稳定性约束的空天地一体化网络中鲁棒安全波束成形方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、获取信道状态信息，基于信道状态信息，采用多播技术构建卫星、无人机和地面通信系统覆盖范围内的用户的信号传输方案；S2、基于信号传输方案，获取卫星和基站在传输之前的缓存区状态数据，构建数据队列；S3、基于信号传输方案和数据队列，构建联合优化问题；其中联合优化问题的目标函数为最小化系统长期平均功率，联合优化问题的约束条件包括用户服务质量、窃听概率、系统发射功率和数据队列稳定性；S4、采用李雅普诺夫优化技术，将联合优化问题转化为单时隙功率的最小化问题；S5、依序采用伯恩斯坦不等式和连续凸近似算法，对最小化问题进行求解，得到卫星、无人机和基站的波束成形权矢量；步骤S1进一步为：S11、获取信道状态信息，包括卫星与用户之间的信道矢量、无人机与用户之间的信道矢量和基站与用户之间的信道矢量；S12、基于信道状态信息，采用波束成形技术分别构建地球站接收信号、窃听者接收信号和地面用户接收信号；S13、基于地球站接收信号、窃听者接收信号和地面用户接收信号，形成卫星、无人机和地面通信系统覆盖范围内的用户的信号传输方案，同时计算得到地球站可达速率、窃听速率和地面用户可达速率；其中卫星与第i个用户之间的信道矢量为hiHt∈CMs×1，i∈{s，n，e，k}，其中C表示复数集合，Ms表示卫星馈源数，s，n表示第s个卫星与第n个地球站之间的通信，e，k表示第e个窃听者与第k个窃听者之间的通信；无人机与第k个用户之间的信道矢量为fjHt∈CNs×1，j∈{s，n，e，k，b，m}，其中Ns表示无人机馈源数，b，m表示第b个地面基站与第m个地面用户的通信；基站与第j个用户之间的信道矢量为gjHt∈CNT×1，j∈{s，n，e，k，b，m}，其中NT表示基站馈源数；地球站接收信号为：ys，nt=hs，nHtwtst+fs，nHtvutet+gs，nHtvbtxt+ns，nt其中，hs，nt∈CMs×1、fs，nt∈CNs×1和gs，nt∈CNT×1分别为卫星、无人机、基站与地球站之间的信道矢量；ns，nt为地球站的零均值加性高斯白噪声，w∈CMs×1、vu∈CNs×1和vb∈CNT×1分别为卫星、无人机和基站的波束成形权矢量，st、et和xt分别表示卫星、无人机和基站的用户信号；窃听者接收信号为：ye，kt=he，kHtwtst+fe，kHtvutet+ge，kHtvbtxt+ne，kt其中，he，kt、fe，kt和ge，kt分别为卫星、无人机、基站与窃听者之间的信道矢量；ne，kt为第k个窃听者的零均值加性高斯白噪声；地面用户接收信号为：yb，mt=fb，mHtvutet+gb，mHtvbtxt+nb，mt其中fb，mt和gb，mt分别为无人机和基站与地面用户之间的信道矢量，nb，mt为地面用户的零均值加性高斯白噪声；地球站可达速率为：Rs，n=log21+γs，n=log21+∣hs，nHtwt∣2∣fs，nHtvut∣2+∣gs，nHtvbt∣2+σs，n2其中γs，n表示第n个地球站的输出信干噪比，σs，n2表示相应的噪声功率；地面用户可达速率为：Rb，m=log21+γb，m=log21+∣fb，mHtvut∣2+∣gb，mHtvbt∣2σb，m2其中γb，m表示第m个地面用户的输出信干噪比，σb，m2表示相应的噪声功率；窃听速率为：Re，k=log21+γe，k=log21+∣he，kHtwt∣2∣fe，kHtvut∣2+∣ge，kHtvbt∣2+σe，k2其中γe，k表示第k个窃听者的的输出信干噪比，σe，k2表示相应的噪声功率；所述数据队列为：Yt+1=max［Yt-Rst，0］+AstQt+1=max［Qt-Rbt，0］+Abt其中，数据队列中的数据到达过程分别服从参数为λs和λb的泊松分布，Ast和Abt表示为卫星和基站一侧的数据到达率，分别用来描述卫星和基站队列中增加的数据包量，Rst=minnRs，nt和Rbt=minmRb，mt表示卫星和基站的数据包离开速率，分别用来描述卫星和基站队列中减少的数据包量，Yt和Qt表示在t时刻卫星和基站处的队列长度；所述联合优化问题具体为： ；其中T表示总时长，E[]表示期望值，Pr{}表示概率，Ie，th表示窃听阈值，pe，out表示窃听概率，pb，out表示地面用户中断概率，ps，out表示地球站中断概率，表示所有的，Ps，th表示卫星最大发射功率，Pb，th表示基站最大发射功率，Pu，th表示无人机最大发射功率；P1表示最小化系统长期平均功率；C1和C2表示队列稳定性约束；C3表示窃听概率约束；C4和C5分别表示是第m个地面用户和第n个地球站的服务质量需求；C6表示卫星、基站和无人机的发射功率预算；所述单时隙功率的最小化问题为： ；其中V表示控制参数；将地球站可达速率、窃听速率和地面用户可达速率代入最小化问题，将最小化问题转换为： ；其中W=wwH，Vu=vuvuH，Vb=vbvbH，Tr表示矩阵的迹，rank表示矩阵的秩；步骤S5进一步为：采用伯恩斯坦不等式迭代算法，C1＇约束转换为： ；其中M1，k表示用于将窃听者的概率约束转换为凸优化问题中的矩阵，λ1，k和μ1，k表示辅助变量，c1，k表示用于窃听者的约束转换中的数值，m1，k表示用于窃听者的概率约束中的向量，I表示单位矩阵；C2＇约束转换为： ；其中M2，m表示用于将地面用户的概率约束转换为凸优化问题中的矩阵，λ2，m和μ2，m表示辅助变量，c2，m表示用于地面用户的约束转换中的数值，m2，m表示用于地面用户的概率约束中的向量；C3＇约束转换为： ；其中M3，n表示用于将地球站的概率约束转换为凸优化问题中的矩阵，λ3，n和μ3，n表示辅助变量，c3，n表示用于约束转换中的数值，m3，n表示用于概率约束中的向量；将最小化问题转换为凸优化问题： ；对凸优化问题进行迭代求解，得到卫星、无人机和基站的波束成形权矢量。

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