### 能效最大化准则下的星地融合网络的安全波束成形算法
#### 一、星地融合网络背景
星地融合网络（Satellite-Terrestrial Integrated Networks, STIN）是近年来备受关注的一种新型网络架构，它结合了地面无线通信系统的成熟技术和卫星通信系统的广域覆盖特性，能够提供更高效、灵活的通信服务。这种网络架构不仅可以提升网络的整体性能，还能够在应对突发事件、加强偏远地区通信服务等方面发挥重要作用。
#### 二、物理层安全技术及其在星地融合网络中的应用
物理层安全技术是通过利用无线信道的物理特性来保障数据传输安全的一种方式。对于星地融合网络而言，物理层安全技术的应用尤为重要，因为卫星通信的特点（如广域覆盖和开放接入）使得安全传输成为一个挑战。传统的方法往往难以直接应用于卫星通信，因此，研究者们提出了多种基于波束成形的安全策略来增强星地融合网络的安全性。
例如，一些研究提出了基于迫零的波束成形方案，旨在通过设计基站发出的信号来干扰潜在的窃听者，从而保护合法用户的通信隐私。这些方案不仅能够确保卫星和地面用户的通信质量，还能有效提升网络整体的安全水平。
#### 三、能效最大化与混合模拟-数字波束成形技术
随着无线终端设备数量的激增和数据传输速率需求的提高，如何在确保高效传输的同时降低能耗成为了星地融合网络面临的一个关键挑战。为此，研究者们引入了能效最大化的概念，并将其作为评价网络性能的重要指标之一。在这一背景下，混合模拟-数字波束成形技术因其能够显著降低系统功耗和计算复杂度而受到广泛关注。
混合模拟-数字波束成形技术通过减少射频链路的数量并在每个子阵列中使用模拟移相器，能够在保证一定频谱效率的同时大幅降低功耗。这种方法尤其适合于星地融合网络中的应用场景，因为它能够帮助解决卫星通信中面临的能耗问题，同时也为实现能效最大化的目标提供了技术支持。
#### 四、研究工作概述
1. **系统建模**：本文首先构建了一个包含多窃听者的星地融合网络模型，其中基站装备有均匀面阵天线。在此基础上，建立了卫星与基站之间的下行链路信道模型。
2. **问题定义**：考虑到基站只能获取到统计性的窃听信道状态信息，本研究在发射功率受限、用户信干噪比限制以及窃听信干噪比概率约束下，提出了蜂窝用户能效最大化的问题。
3. **解决方案**：针对提出的优化问题，研究采用了混合模拟-数字波束成形技术，并结合干扰对准技术和分式规划方法提出了一种双层迭代的解决方案。该方案能够在保证系统安全性的前提下，实现能效的最大化。
4. **理论意义与现实价值**：通过对基于混合模拟-数字系统的星地融合网络中的能效问题进行研究，本工作不仅填补了相关领域的空白，还为未来星地融合网络的设计和优化提供了重要的理论指导和技术支持。
#### 五、结论与展望
本文针对星地融合网络的安全波束成形算法进行了深入探讨，特别是聚焦于能效最大化的问题。通过引入混合模拟-数字波束成形技术和相关优化策略，不仅提高了网络的安全性和可靠性，还有效降低了功耗。未来的研究可以进一步探索不同场景下的应用效果，以及如何结合更多的先进技术和理论成果来优化星地融合网络的整体性能。
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