多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法技术方案

本发明专利技术涉及卫星通信领域，涉及一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法；所述方法包括获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，计算出系统保密速率；构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使保密速率下界近似值最大的预编码矩阵；本发明专利技术考虑了星地无线信道的衰落，在存在窃听者的情况下，仍能保证信息的安全传输。仍能保证信息的安全传输。仍能保证信息的安全传输。

【技术实现步骤摘要】
多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信领域，针对多波束的卫星安全通信系统，具体涉及一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着信息处理技术的进步，地面蜂窝移动通信得到了快速的发展，第5代移动通信正向着增强型带宽、低功耗大连接、低时延高可靠连接三大方向演进。但是由于地形地貌的原因，地面互联网很难做到对海洋、森林、沙漠等区域的覆盖，根据资料[3GPP TR22.822,“Study on Using Satellite Access in5G(Stage I),”Release 16,Feb.2018.16]显示，全球将近一半的区域仍然没有互联网网络覆盖。
[0003]低轨卫星通信可以不受地形地貌的约束，能实现信号的全覆盖，可有效满足海洋、偏远陆地、高山森林、沙漠等区域的联网需求。随着卫星制造和火箭发射技术的进步，近年来，低轨卫星通信迎来了发展的热潮。目前，国内外多家公司宣布了自己的星座计划。在国外，Space X公司提出了Starlink卫星互联网星座，其计划建设一个由1.2万颗卫星组成的卫星群，OneWeb公司提出了计划部署近三千低轨卫星的OneWeb系统，Leoset公司计划构建由108颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。在国内，提出了鸿雁、虹云星座建造计划。
[0004]低轨卫星通信最大的特点是卫星相对地面进行高速运动，即低轨卫星通信具有高动态性。在高动态的低轨卫星通信中，采用多波束预编码技术能有效提升系统空间复用增益和分集增益，可在不额外增加带宽和发射功率的情况下显著提高系统的频谱利用率。
[0005]由于卫星向地面用户传输信息是在一个开放的空间进行，且用户分布的位置具有随机性，若传输空间存在窃听者，发送的信息很容易被非法窃听者窃听，这就导致通信系统的安全性面临着挑战。为了实现信息的安全传输，可以将物理层安全技术运用到多波束高动态的低轨卫星通信系统中。物理层安全以信息论为基础，利用信道的随机性、互易性、唯一性等特点，实现信息的安全传输、密钥产生、合法用户辨识等，在底层提高通信系统的安全性。物理层安全技术可以分为以下两类：借助无线信道的特性在合法通信双方生成共享的密钥，解决传统保密编码体系中最易受到攻击的密钥生成、分发等安全问题；利用信号处理技术和安全信道编码技术，在无密钥的情况下实现信息的保密传输。文献[Chen X,Ng D W K,Gerstacker W,et al.A survey on multiple
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antenna techniques for physical layer security[J].IEEE Communications Surveys&Tutorials,2017,19(2):1027
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1053.]指出安全预编码技术作为物理层安全的实现手段，其核心思想是利用空间自由度对发送端数据流进行矩阵加权变换，使天线阵列形成的发送波束对准合法用户，避免发送的信号被其他非法用户接收。
[0006]综上，在多波束的低轨卫星通信系统中采用物理层安全预编码技术，不仅可以提高卫星通信系统的频谱效率，还可以增强信息传输的安全性，但是如何将物理层安全预编码技术应用于多波束的低轨卫星通信系统成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]基于现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于将物理层安全预编码技术应用于多波束的低轨卫星通信系统中，考虑卫星与合法用户之间的信息传输存在窃听者，将合法用户与窃听用户之间速率的差值定义为保密传输速率，通过对卫星发送预编码矩阵的优化实现保密传输速率的最大化，从而保证信息的安全传输。
[0008]为了实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：构造以卫星最大发送功率为约束条件，以保密速率最大化为目标的优化问题，由于优化问题的非凸特性，为解决非凸优化问题，首先将优化目标转化为最大化系统保密速率的下界，然后利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，该近似值为上凸函数形式，然后通过迭代凸优化算法得到保密速率下界近似值的最大值和最优预编码矩阵，对应得到系统的最大保密速率。
[0009]本专利技术解决上述技术问题的具体方案如下：
[0010]一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，所述方法包括：
[0011]分别获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，从而计算出系统保密速率；
[0012]构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；
[0013]将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；
[0014]利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；
[0015]通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使得保密速率下界近似值最大的预编码矩阵。
[0016]优选的，本专利技术还可以在得到预编码矩阵后，根据保密速率下界近似值对应得出原始优化目标函数的最大值。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018](1)本专利技术在对卫星发送预编码矩阵进行优化设计的过程中，考虑了星地无线信道的衰落，根据星地无线信道的信道状态信息动态更新系统的发送预编码矩阵，且满足卫星的发送功率限制，在存在窃听者的情况下，能够保证信息的安全传输。
[0019](2)本专利技术根据信道状态信息的瞬时特性实现对卫星预编码矩阵的优化，不依赖于信道状态信息的统计特性，可以实现更高的优化效率。
[0020](3)本专利技术在优化模型的转化过程中，实现将非凸优化问题转化为凸优化问题，可有效简化优化问题的求解难度和复杂度。
[0021](4)本专利技术所设计的卫星预编码矩阵，可以有效抑制窃听用户的窃听能力，提高系统的保密速率，提升信息传输的安全性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例采用的通信系统模型图；
[0023]图2为本专利技术实施例中的安全预编码流程图；
[0024]图3为本专利技术优选实施例中的安全预编码流程图；
[0025]图4为本专利技术实施例中发送波束数为2时，传输速率随发送功率的变化情况示意图；
[0026]图5为本专利技术实施例中发送波束数为4时，传输速率随发送功率的变化情况示意图；
[0027]图6为本专利技术实施例中发送波束数为4的情况下，仅考虑最大化合法速率时传输速率随发送功率的变化情况示意图；
[0028]图7为本专利技术实施例中采用不同波束、不同优化方式下保密速率与发送功率的关系示意图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述方法包括：分别获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，从而计算出系统保密速率；构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使得保密速率下界近似值最大的预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述系统保密速率的计算方式表示为R
S
＝[R1‑
R2]
+
，其中，R1卫星向合法用户传递信息的速率；R2窃听用户的窃听速率；[]
+
表示和0比较取最大值。3.根据权利要求1或2所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，卫星向合法用户传递信息的速率R1、窃听用户的窃听速率R2分别表示为：分别表示为：式中，m表示合法用户的接收天线数，n表示窃听用户的接收天线数；I
m
、I
n
分别表示m、n维的单位矩阵；G1表示卫星向合法用户传递信息的合法信道，G2表示窃听用户对卫星发送信息进行窃听的窃听信道；上标H表示矩阵的共轭转置，|
·
|表示矩阵
·
的行列式，Φ＝E{xx
H
}表示卫星发送信息x的协方差矩阵，E{}表示求均值运算。4.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述第一优化模型表示为：s.t.Tr(Φ)≤P其中，R
S
表示系统保密速率；R1表示卫星向合法用户传递信息的速率；R2为窃听用户的窃听速率；[]
+
表示和0比较取最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洋，高勇，王艳峰，谷林海，刘鸿鹏，
申请(专利权)人：东方红卫星移动通信有限公司，
类型：发明
国别省市：