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龙图腾网获悉中国人民解放军陆军工程大学申请的专利一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115426006B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-02发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202210642697.7，技术领域涉及：H04B7/024；该发明授权一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法是由丁国如;李岩;王海超;徐以涛设计研发完成，并于2022-06-08向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法在说明书摘要公布了：一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与方法，包括描述模块、建立模块、预编码模块、基站选择模块、数据采集模块；描述模块用于对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的的关系进行描述；建立模块用于建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；预编码模块用于求解每个基站的预编码问题；基站选择模块用于根据用户位置选择合适的基站。本方法有效改善了传统短波通信中用户速率低、覆盖范围广造成安全性差的问题。

本发明授权一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信系统与通信方法在权利要求书中公布了：1.一种基于多站协同的天波大规模MIMO安全通信方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1：对基于多站协同的天波安全通信方法中各要素的作用和它们之间的关系进行描述；该描述的内容包括： 建立一个由一个信源、一个核心网、M个基站、一个用户组成的通信系统；信源将原始信息发给核心网；核心网将原始消息分成M份子消息通过光缆分别发给M个基站；每个基站通过天波信道将子信息发送给用户；最后，用户将对应的子信息合并恢复原始信息；同时，窃听者会通过接收信号的方式窃听通信内容； 天波信道通过电离层反射传播信息；电离层被划分为D层、E层、F层，其中能反射信号的是E层和F层； D层离地面高度为50～90公里，只在白天存在，晚上会消失，D层的自由电子密度较低，D层吸收信号能量造成信道衰减但不反射信号； E层离地面高度为90～130公里，E层自由电子密度比D层高，能够反射天波信号的最低层，E层在晚上不会完全消失； F层离地面高度为130公里以上，在白天分为F1层和F2层，晚上合并为一层；F层电离程度最强，大部分天波通信通过F层反射实现；发射信号通常经过单跳或多跳从不同角度以不同信号强度到达接收机，将天波信道建模为多径信道； 步骤2：建立基于用户位置的预编码方案、基站选择、可达速率的分布的数学模型；包括如下内容： 设xmt为基站m的发送的模拟基带信号，则接收机ξ收到的模拟基带信号为 其中t表示时间，τ为积分临时变量，是从基站m到接收机ξ的时变信道冲激响应，xm为基站m的发射信号，dτ表示τ为被积变量，zξt为高斯白噪声； 采用OFDM体制，分别定义Nc、Ng、Ts为子载波数、循环前缀长度、采样间隔；那么，Tc＝NcTs和Tg＝NgTs分别为OFDM符号和循环前缀的持续时间，设定Nv个子载波用于传输数据； 定义和Δf＝1Tc分别为hm,ξt,τ的傅里叶变换和子载波间隔；那么，对于基站m发出的子信息，第l个符号上的从基站m到接收机ξ的在第k个子载波上的解调信号为 其中为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的信道频率响应，xm,ξ,l,k为基站m到接收机ξ的在第l个符号第k个子载波上的发射信号分量，zm,ξ,l,k为零均值、方差为n0的复高斯随机变量，且 为基站m到接收机ξ的在第l个符号、第k个子载波上的信道频率响应； 将短波信道建模为广义平稳非相关散射信道；设fc为载波频率；考虑到短波信道时变性，工作频率需要根据实时电离层状态调整；为各个基站配备均匀线性阵列，设定fom为基站m最高工作频率，则基站m的相邻天线单元的间距为其中表示最高工作频率对应的波长，c为光速； 设和分别为离开路径的方位角和仰角，假设接收机ξ到基站m间有Pm,ξ条可分离多径，定义τm,ξ,p,n为基站m到接收机ξ的第n根天线的第p条路径的时延，表示为 其中为光穿过基站m相邻两个天线单元的时间，为了使表达式更简洁，设 从接收机ξ到基站m的第n根天线的时变信道冲激响应表示为 其中为虚数单位，fm为基站m的工作频率，αm,ξ,pt表示复增益随机变量；由于地球表面和电离层是粗糙的，假设从基站m到接收机ξ的第p路径里有Qm,ξ,p条子路径，这些子路径有同样的传播时延，发送和到达方位角和仰角；αm,ξ,pt表示为 其中βm,ξ,p,q、φm,ξ,p,q和υm,ξ,p,q分别为增益、初始相位和第q条路径的多普勒频移；假设φm,ξ,p,q服从[0,2π上的均匀分布；当Qm,ξ,p→∞，αm,ξ,pt的幅度服从瑞利分布； 根据公式3和公式5，得到 其中 表示方向余弦Ωm,ξ,p在第k个子载波上对应的方向余弦；定义路径增益 这里，将每个可分离路径的方向余弦Ωm,ξ,p和路径增益βm,ξ,p视作部分CSI； 基站m的发送信号表示为 其中Pm和sm为分别为基站m的发射功率和符号，且sm为零均值单位方差的随机变量，fm,k表示基站m在第k个子载波上的预编码向量；基站m给接收机ξ发送子信息m的在第k个子载波上的可达速率Rm,ξ表示为 其中n0为噪声功率； 考虑到当且仅当正确接收所有子信号才能正确恢复相应原始信号，整个系统的遍历可达速率表示为 其中w∈{0,1}M×1表示基站状态，[w]m＝1表示第m个基站被选择，否则没有被选择，Nv为用于传输数据的子载波数量； 假设每个窃听者配备单根天线，用于接收并合并各路子信息；公式12揭示了接收机速率与其位置的关系；这时，窃听者的速率与其所在的空间位置有关；利用好角度域信道的稀疏性使得接收区的面积更小，在保证合法用户通信的同时使得窃听者通信速率较低；设用户和窃听者的位置分别为u和e，则系统的安全速率表示为 Rsec＝[Ru-Re]+13 其中Ru和Re分别表示用户和窃听者的遍历可达速率； 在最小基站选择数目、单个基站最大发射功率、预编码向量二范数约束下，通过优化预编码向量、发射功率、基站选择方案，实现用户速率最大化目标，优化问题数学化表示为： 其中约束条件C1表示至少要有κ个基站处于工作状态，约束条件C2表示每个基站的发射功率应该小于最大值Pmax，约束条件C3表示单个基站天线阵的预编码方案需满足功率约束； 步骤3：求解每个基站的预编码问题；具体包括： 根据公式5、公式8和公式11，得到 其中为αm,ξ,p的复共轭； 定义am,ξ,k为从基站m到接收机ξ上的在第k个子载波上的信道增益，表示为 基站m到接收机ξ的信道在第k个子载波上可达速率的期望值是am,ξ,k的单调增函数，通过最大化每个子信息信道增益的方法来最大化每个子信息可达速率； 首先分析部分CSI情况下的预编码问题； 目标是在预编码向量二范数约束下，使得信道增益最大化，优化问题建模为 s.t.||f||≤1. 定义如下矩阵 根据公式6，得到 根据公式9和公式19，P2转化为 s.t.C1:F≥0, C2:trF≤1. 使用松弛的方法，忽略rankF＝1,那么很明显P2.1是一个凸的半定规划，使用CVXPY求解；定义得到的最优Fm,k矩阵及其对应的最大增益分别为和如果解出来的Fm,opt满足秩为一，则所得解是全局最优的，如果不满足，则输出其左奇异矩阵的第一列； 步骤4：根据用户位置选择合适的基站；具体包括： 通过优化基站选择的方式来最大化用户的遍历可达速率；定义为在基站选择方案w下通过CVXPY求解得到的接收机ξ的遍历可达速率，那么，问题P4表示为 s.t.C1:||w||0≥k. 求解P4，有种满足约束C1的情况；对于M基站场景，穷搜的复杂度在k比较小的时候很高，为O2M； 6.1根据公式11计算所有子信息的速率； 6.2将步骤6.1中的结果从大到小排列，定义bi为第i个基站的索引号； 6.3初始化wopt＝0M； 6.4对m＝1～κ，赋值[wopt]bm＝1； 6.5输出wopt； 步骤5：进行所选基站的功率优化；具体包括： 优化各个被选择基站的发射功率，一个启发式方案是将每个基站的发射功率设到最大，从而将用户的速率最大化；考虑到用户的遍历可达速率由所有子信息中最小的一个决定，将具有最低信道增益的基站的功率开到最大，同时降低别的基站的功率，直到每个子信息的遍历速率相同；这个问题表示为 采用二分查找的方式来解决P5， 初始化mmin＝0，∈＝inf，其中m＝1,2,3,...,M；令，wm＝1，根据公式11计算Rm,ξ，若则其中m＝1,2,3,...,M；若m≠mmin，通过二分查找计算返回优化后的发射功率

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