无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，公开了一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端，构建存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型；基于存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；利用窃听概率作为衡量G2SN中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能；引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的可靠性能。本发明专利技术提出了一种空中辅助方案来保护G2SN中的机密信息传输，面对秘密地面窃听者，UAV充当地面用户和卫星之间的辅助设备，能够缓解合法用户的信息泄漏；同时，还通过引入连通性来分析方案的可靠性。引入连通性来分析方案的可靠性。引入连通性来分析方案的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端


[0001]本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端。

技术介绍

[0002]目前，随着地面卫星通信网络(ground
‑
to
‑
satellite communication networks，G2SN)的迅速扩散，如何确保在网络中进行可行和可靠的传输已成为一个日益重要的问题。一方面，由于无线信道的开放性和广播的性质，G2SN很难避免机密信息泄漏，从而导致严重的敌方窃听。并且在G2SN中，长传输距离和掩蔽效应都会导致较大的路径损耗。所以，信号必须在高功率下传输，以抵抗严重衰减。但大的传输功率会导致G2SN的窃听风险增加。另一方面，传统密码加密不适用于G2SN。在G2SN中，大规模分布的用户会在密钥分发和管理方面带来不可预见的挑战。而且，加密通常低估了非法用户的计算能力，随着计算能力的提高，信息泄漏是一个严重的问题。
[0003]物理层安全作为密码加密的补充，已被用于为G2SN提供有前景的安全解决方案。物理层安全可以在不受计算能力限制的情况下保护机密信息。例如，友好干扰是G2SN中一种流行的物理层安全方法，干扰信号可以由发射机发射，以防止窃听。最近，无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)凭借自己的灵活性和机动性，越来越受到关注，许多研究考虑利用UAV实现友好干扰，支持安全可靠的通信。然而，在现有的大多数研究中，当发出干扰信号干扰窃听者时，合法传输的质量也不可避免地受到削弱。特别是对于有秘密窃听者的大型网络，精确地向窃听者发出干扰信号要困难得多。因此，急需设计一种新的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005]1、传统加密方式中大规模分布的用户会在密钥分发和管理方面带来不可预见的挑战。而且，加密通常低估了非法用户的计算能力，随着计算能力的提高，信息泄漏是一个严重的问题。
[0006]2、卫星向地面通信时为了增加地面接受信号的强度不免会提高发射功率，导致信道的窃听风险增加，地面窃听者更容易接收到系统中的通信信息。
[0007]3、使用物理层安全的干扰器进行友好干扰时，当干扰器发出干扰信号干扰窃听者的同时，合法传输的质量也会受到干扰；对于有秘密窃听者的大型网络，干扰器无法做到精确地向窃听者发出干扰信号，结果是合法传输的吞吐量下降。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端。
[0009]本专利技术提出的空中辅助方案来保护G2SN中的机密信息传输。面对秘密地面窃听者，UAV充当地面用户和卫星之间的辅助设备，以缓解合法用户的信息泄漏。本专利技术引入窃
听概率作为存在窃听者的G2SN场景下窃听风险的度量。同时，还通过引入连通性来分析方案的可靠性。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括：构建窃听G2SN模型；基于窃听G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；分别分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能和可靠性能。
[0011]进一步，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括以下步骤：
[0012]步骤一，构建存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型；
[0013]步骤二，基于存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；
[0014]步骤三，利用窃听概率作为衡量G2SN中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能；
[0015]步骤四，引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的可靠性能。
[0016]进一步，所述步骤一中的存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型由地面用户、窃听者、无人机、卫星四部分组成，地面用户通过合法链路与卫星通信，窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息。
[0017]所述G2SN模型中，地面用户按照密度为λ
g
的齐次泊松点过程分布在水平面上，通过合法链路与卫星通信，且卫星位于固定高度H
s
；窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息，并且窃听者的确切位置无人机并不知道。多个UAV随机部署在空中，高度为H
u
，类似于地面用户，它们遵循密度为λ
u
的齐次泊松点过程。地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给UAV，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星。此外，本专利技术提出的方案在UAV和卫星上使用定向天线，以减少窃听者方向上的信息泄漏，这样可以有效的让干扰器进行友好干扰而减少对于合法用户信道的影响。值得注意的是，考虑到地面节点(即地面用户和窃听者)需要在所有方向上均匀地发送或者接收信号，因此G2SN模型在地面节点上部署全向天线以实现最大覆盖。
[0018]进一步，所述步骤二中的基于存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型包括：
[0019](1)地面链路/低空链路：地面链路是指地面节点之间的传输链路；将从地面用户到窃听者的地面链路表示为g＝{ge}，用于地面节点和无人机群之间传输的低空链路用l＝{gu,ue}表示；当两种类型的链路都遭受路径损耗和瑞利衰落，并将接收功率表示为：
[0020][0021]其中，P
g,l
是传输功率，l
g,l
表示两个节点之间的传输距离，h
g,l
为服从指数分布的信道系数，平均值为1/μ
g,l
，α
g,l
代表路径损耗因子；G
{g,u}
是发射天线的增益，G
{e,u}
是接收天线的增益；对于所有配备全向天线的地面节点G
g
和G
e
是全向天线的增益，将G
g
＝G
e
＝1；采用keyhole模型描述定向天线，所述天线由一个主瓣和一个旁瓣组成；对于UAV，低空链路中的天线增益G
u
表示为主瓣接收/发射和旁瓣接收/发送主瓣和旁瓣的天线增益用G
m
和G
b
表示，遵循以下关系：
[0022][0023]其中，θ
m
表示主瓣的波束宽度，联合旁瓣/后瓣的波束宽为2π
‑
θ
m
。
[0024](2)高空链路：高空链路是指无人机与卫星之间的传输链路，高空链路几乎不受障碍物的影响；信号只会受到路径损耗，卫星接收功率表示为：
[0025][0026]其中，P
us...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，其特征在于，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括：构建窃听G2SN模型；基于窃听G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；分别分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能和可靠性能。2.如权利要求1所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，其特征在于，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括以下步骤：步骤一，构建存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型；步骤二，基于存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；步骤三，利用窃听概率作为衡量G2SN中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能；步骤四，引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的可靠性能。3.如权利要求2所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，其特征在于，所述步骤一中的存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型由地面用户、窃听者、无人机、卫星四部分组成，地面用户通过合法链路与卫星通信，窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息；所述G2SN模型中，地面用户按照密度为λ
g
的齐次泊松点过程分布在水平面上，通过合法链路与卫星通信，且卫星位于固定高度H
s
；窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息。4.如权利要求2所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，其特征在于，所述步骤二中的基于存在窃听者的地面卫星通信网络G2SN模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型包括：(1)地面链路/低空链路：地面链路是指地面节点之间的传输链路；将从地面用户到窃听者的地面链路表示为g＝{ge}，用于地面节点和无人机群之间传输的低空链路用l＝{gu,ue}表示；当两种类型的链路都遭受路径损耗和瑞利衰落，并将接收功率表示为：其中，P
g,l
是传输功率，l
g,l
表示两个节点之间的传输距离，h
g,l
为服从指数分布的信道系数，平均值为1/μ
g,l
，α
g,l
代表路径损耗因子；G
{g,u}
是发射天线的增益，G
{e,u}
是接收天线的增益；对于所有配备全向天线的地面节点，将G
g
＝G
e
＝1；采用keyhole模型描述定向天线，所述天线由一个主瓣和一个旁瓣组成；对于UAV，低空链路中的天线增益G
u
表示为主瓣接收/发射和旁瓣接收/发送主瓣和旁瓣的天线增益用G
m
和G
b
表示，遵循以下关系：其中，θ
m
表示主瓣的波束宽度，联合旁瓣/后瓣的波束宽为2π
‑
θ
m
；(2)高空链路：高空链路是指无人机与卫星之间的传输链路，高空链路几乎不受障碍物的影响；信号只会受到路径损耗，卫星接收功率表示为：
其中，P
us
是无人机的发射功率，G
u
是UAV的发射天线增益，G
s
是卫星的接收天线增益；l
us
表示UAV与卫星之间的距离，α
us
是路径损耗因子；(3)直接链路：合法地面用户和卫星之间的传输链路被描述为直接链路，用d＝{gs}表示；直接链路被描述为从GU3和GU5到卫星的链路，采用独立的同分布Shadowed
‑
Rician衰落来模拟直接链路，卫星接收的功率为：其中，l
d
是直接链路的距离，α
d
＝2表示瞬时自由空间损耗；h
d
是信道系数；由于衰落严重性的参数m是一个范围在[0，∞)内的一个任意整数，h
d
的概率密度函数表示为：其中，Ω和2ρ分别表示视线链路和多径分量的平均功率；1F1(a,b,c)是一个合流超几何函数，改写为：5.如权利要求2所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，其特征在于，所述步骤三中的利用窃听概率作为衡量G2SN中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下G2SN的安全性能包括：窃听概率被定义为窃听者接收和解码机密信息的概率；信号从地面用户传输后，通过空中辅助设备到达卫星；用表示的地面链路的窃听概率表示如下：其中，γ
e
是窃听器处的信噪比阈值，l
g

【专利技术属性】
技术研发人员：王曲北剑，唐世越，王浩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：