一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法技术

本发明专利技术公开了一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法。本方法为：卫星与地面站的雷达通信时，在下行链路的通信时间T

【技术实现步骤摘要】
一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法


[0001]本专利技术属于雷达通信一体化
，具体涉及一种无源雷达辅助安全卫星通信的方法。

技术介绍

[0002]雷达通信一体化技术可以缓解雷达和通信系统工作频段出现拥塞和交叉的问题。雷达通信一体化系统通过时分复用、波束赋形、无源雷达等技术实现雷达和通信共享频段，利用同一平台实现雷达目标检测和通信两个功能，在下一代无线通信网络中具有广阔的前景。
[0003]另一方面，在卫星通信系统中，无线信道固有的开放性使得环境中存在的窃听者能够非法获取发送给合法用户的保密信息，导致机密信息在物理层通信链路被截获。与采用基于密码学加密方法的传统安全通信技术相比，物理层安全依据香农信息论利用无线通信物理层链路实现信息安全，可以一定程度解决密钥管理和抵御暴力破解问题。
[0004]目前已有的物理层安全方案常假设窃听者的位置已知，此假设在实际应用中不合理。因此在实际的卫星与地面通信场景中，使用物理层安全方案的前提是获取窃听者的位置。

技术实现思路

[0005]为了解决上述物理层安全方案中窃听者位置未知问题，本专利技术提供了一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法。本专利技术是一种面向卫星通信中基于雷达通信一体化地面站设备的物理层安全增强时分方案。此方案考虑卫星与地面站通信并在空中存在无人机等窃听的场景，是一种通过雷达通信一体化设备进行基于下行链路信号无源雷达检测并据此结果对地面站上行链路波束赋形和人工噪声进行优化设计以最大化通信保密速率、实现信息安全的物理层安全方法。具体步骤如下(见附图1)：
[0006]步骤一：卫星与地面站的雷达通信功能的时域划分。将卫星地面通信时间T进行分割，每个阶段占用预先设定的时隙数。前T
r
秒为下行链路通信时间，同时进行无源雷达对窃听者的检测，后T
c
秒为上行链路通信时间，地面站的通信发射端根据雷达检测结果来进行通信，满足T＝T
r
+T
c
。
[0007]步骤二：使用卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号，对监视区域的空中窃听者进行目标检测。雷达通信一体化地面站设备将卫星的下行链路通信信号作为辐射源并接受监视区域的回波，进行相应的信号处理和判决。此步骤的目标检测问题可建模为二元假设检验问题。
[0008]步骤三：针对步骤二对窃听者检测的结果，地面站的通信发送端对发射波束赋形和人工噪声协方差矩阵进行设计，最大化星地上行链路保密速率。即：如果无源雷达没有检测到窃听者，发射端只需最大化到卫星的数据传输速率；如果无源雷达检测到窃听者的存在，发射端需要优化到卫星的保密速率。
[0009]进一步的，步骤二具体为：
[0010]地面站接收端配备两个并置的天线模块，一个对准发射端卫星，接收信号作为参考信道接收发射信号；一个对准可能存在窃听威胁的监视区域，作为监视信道接收目标的回波信号。当检测目标不存在时，监视信道仅接收到噪声；当存在检测目标时，监视信道接收到目标回波和噪声。因此目标检测问题可以建模为以下二元假设检验问题。
[0011]零假设为
[0012]备择假设为
[0013]其中：y
d
＝[y
d1
,y
d2
,...,y
dL
]T
,s
r
＝[s
r1
,s
r2
,...,s
rL
]T
,n
d
＝[n
d1
,n
d2
,...,n
dL
]T
,都是L
×
1向量，分别表示采样后的参考信号(参考信道接收到的信号)、发射信号(下行链路通信信号)和参考信道的噪声，y
s
和n
s
也具有相同结构，分别表示采样后的监视信号(监视信道接收到的信号，即经过窃听者反射过来的回波信号)和监视信道的噪声。是用于雷达探测的样本总数，其中T
s
是发送信号周期，[.]为取整函数。P
T
为发射功率，h
d
为参考信道的信道系数，h
s
为监视信道的信道系数。
[0014]进一步的，步骤三具体为
[0015]步骤3.1：步骤2反馈结果为零假设成立，即没有检测到窃听者，地面站发送端按照无窃听的情况采用最大化卫星处速率的波束赋形策略。
[0016]步骤3.2：步骤2反馈结果为备择假设成立，即检测到空中窃听者，通信发射端采用物理层安全通信的波束赋形和人工噪声策略，最大化卫星的保密速率，即合法用户处信息速率与窃听处信息速率的差值最大化，其中T
c
为上行链路通信时间，H
I
、H
E
为分别为用户链路和窃听链路的信道增益，为分别为用户链路和窃听链路的信道增益，分别为用户链路和窃听链路的信道增益的共轭转置，W为波束赋形矩阵，W
H
为波束赋形矩阵的共轭转置矩阵，∑为人工噪声协方差矩阵，分别为合法用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声的方差。
[0017]本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0018]本专利技术提出的无线网络信息安全增强方法可利用雷达通信双功能系统中的雷达目标检测结果适应性地调整基站侧发送信号的特性，提高信息传输过程中的保密速率。
附图说明
[0019]图1为卫星通信系统中面向雷达通信一体化系统的物理层安全增强时分方案流程图。
[0020]图2为目标检测与通信流程图；
[0021](a)阶段一检测图，(b)阶段二通信图全示意图。
[0022]图3为本专利技术具体实施流程图。
具体实施方式
[0023]为将本方案描述地更加清楚，下面对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细阐述。
[0024]图2为本方案的具体使用场景。无源雷达用于检测雷达通信一体化地面站设备监视区域的空中窃听者。总传输时间为T秒，功率为P
T
，雷达和通信的持续时间分别为T
r
和T
c
，且满足T＝T
r
+T
c
。在总传输时间内，前T
r
秒先进行无源雷达对窃听者的检测，后T
c
秒根据雷达检测结果调整波束赋形矩阵和人工噪声协方差矩阵，以最大保密速率传输信息。
[0025]图3为本专利技术具体实施流程图。假设窃听者确实存在的概率为P1，不存在的概率为P0＝1
‑
P1。
[0026]在图3步骤2的无源雷达目标检测中可采用广义最大似然比检测器进行目标检测，其中σ2是高斯白噪声n
d
和n
s
的方差。基于上文的二元假设检验模型，广义最大似然比检测器为：其中λ是检测阈值，大于阈值对应备择假设，小于阈值对应零假设。经计算虚警概率P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法，其步骤包括：卫星与地面站的雷达通信时，在下行链路的通信时间T
r
内进行窃听者检测，在上行链路的通信时间T
c
内，地面站的通信发射端根据检测结果与卫星进行通信；其中，如果未检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化到卫星的数据传输速率；如果检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化上行链路保密速率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号和地面站的无源雷达进行窃听者检测。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进行窃听者检测的方法为：所述地面站将卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号作为辐射源，所述地面站的无源雷达接收监视区域的回波，根据下行链路通信信号、回波信号进行窃听者检测。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述地面站的接收端配备两个并置的天线模块，第一天线模块用于接收卫星的发射信号；第二天线模块用于对准设定的监视区域，接收所述监视区域的回波信号；如果所述回波信号为噪声，则判定所述监视区域不存在窃听者，否则判定所述监视区域存在窃听者。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据下行链路通信信号、回波信号进行二元假设建模，将窃听者检测建模为二元假设检验模型并求解，完成窃听者检测；其中，将第一天线模块的信号通道作为参考信道，第二天线模块的信号通道作为监视信道，所述二元假设检验模型中，零假设为H0：备择假设为H1：y
d
、s
r
、n
d
分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭博涵，马璐，纪玉春，白寿颖，刘科栋，刘铭，刘玮，景文鹏，路兆铭，
申请(专利权)人：国家计算机网络与信息安全管理中心，
类型：发明
国别省市：