数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，包括：基于DT辅助技术获取卫星、无人机及地面基站的功率信息并获取异构链路信道参数；将获取的信息代入联合预编码问题模型；该模型由最大

【技术实现步骤摘要】
数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法。

技术介绍

[0002]在过去几年，传统的地面无线通信在用户数量和服务需求方面经历了快速增长，未来的网络需要提供比当前网络更多的资源。受限于通信容量和覆盖范围，单独依靠地面网络无法满足需求。空天地一体化网络(space
‑
air
‑
ground integrated network，SAGIN)是一种多层的综合网络，集成了卫星系统，航空系统和地面通信系统，其具备覆盖范围大、吞吐量大和灵活部署等优势，可实现多地区网络的无缝连接，提高对服务需求高的覆盖区域的通信容量等。
[0003]现有技术中，有很多方案分别在卫星网络、无人机网络和卫星陆地混合/集成网络中贡献了安全传输技术，其中与无人机网络相关的安全传输的研究相对广泛。例如：于季弘等提出的《基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法》，以及罗远哲等提出的《一种无人机数据安全传输方法》，分别从无人机抗干扰能力和数据传输方面保证无人机网络的安全传输。
[0004]然而，与无人机网络相关的安全传输的研究大部分尚未纳入SAGIN，只是作为一个独立的场景，只能作为SAGIN中无人机网络这一模块的优化方法，无法应用到卫星网络和地面通信系统。
[0005]作为一种三层网络架构，SAGIN所具备的异构性，时变性和差异性导致其无法有效利用资源，很容易受到窃听和攻击。如何有效地管理和分配SAGIN的资源并且保证SAGIN中多层异构下行链路的通信安全，已成为SAGIN所面临的挑战之一。
[0006]相关技术中，已经有一些SAGIN整体层面的安全传输技术被提出。例如：张振江等提出的《空天地一体化信息网络中的数据安全传输方法》从数据传输的角度实现SAGIN中的安全传输；孙文等提出的《一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构》、赵彩丹等提出的《基于哈希链的低空节点身份认证及隐私保护方法》、朱浩瑾等提出的《基于路由证据的路由节点恶意行为检测方法与系统》在节点处通过身份认证、检测节点恶意行为等方法来抵御攻击和窃听，保证网络安全。
[0007]然而，上述相关技术将数据分块、编码后选择多条路径传输到路基然后汇聚、在节点处通过身份认证和检测节点恶意行为等方法虽然能够很好地保证网络安全，抵御窃听和攻击，但是没有办法有效解决SAGIN异构所带来的动态化和差异化的资源分配问题。并且，由于与传统地面通信不同，SAGIN中相同频率的各非地面信道之间的距离相对发射端和接收端之间的距离可以忽略，所以其产生的同信道干扰会对通信质量带来很大影响。
[0008]因此，如何有效地管理和分配SAGIN的资源并且保证SAGIN中多层异构下行链路的通信安全，是一项亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法。
[0010]本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0011]一种数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，包括：
[0012]基于数字孪生辅助技术，获取空天地一体化网络中的卫星、无人机以及地面基站的功率信息，并获取异构链路信道参数；
[0013]将所获取的功率信息以及异构链路信道参数代入预先构建的联合预编码问题模型；所述联合预编码问题模型是将最大
‑
最小化安全速率问题等效转换而来的凸优化问题；所述最大
‑
最小化安全速率问题，是在对空天地一体化网络异构链路共生安全传输进行建模且考虑了网络中有窃听者存在的基础上所构建的，以空、天、地三种下行链路中传输的预编码向量为求解参数，且以最大化所述三种下行链路中的最小安全速率为优化目标的优化问题；
[0014]利用连续凸逼近SCA算法对所述联合预编码问题模型进行求解，得到所述三种下行链路中传输的预编码向量，以在所述三种下行链路中按照对应的预编码向量进行信号的安全传输。
[0015]在一个实施例中，所述最大
‑
最小化安全速率问题的构建过程，包括：
[0016]对从卫星到地面的自由空间路径损耗以及卫星波束增益进行建模，得到第一建模结果；
[0017]对从无人机到地面的路径损耗和小规模衰落进行建模，得到第二建模结果；
[0018]对地面链路的信道模型进行建模，得到第三建模结果；
[0019]基于所述第一建模结果、所述第二建模结果以及所述第三建模结果，对卫星用户，无人机用户、地面用户以及窃听用户的信干噪比进行建模；
[0020]基于卫星用户，无人机用户、地面用户以及窃听用户的信干噪比建模结果，构建所述最大
‑
最小化安全速率问题。
[0021]在一个实施例中，所述第一建模结果，包括：
[0022]C
L
＝(λ/4π)2/(d2+j2)；
[0023][0024]其中，C
L
代表从卫星到地面的自由空间路径损耗，b代表卫星波束增益；λ代表信号波长，d代表波束中心到卫星覆盖中心的距离，j代表卫星高度，β代表降雨衰减引起的信道增益，β被建模为对数正态分布随机变量；θ代表[0，2π)均匀分布的相位矢量，j代表虚部；G
max
代表最大卫星天线增益；J1(
·
)和J3(
·
)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数；u0＝2.07123sin(α)/sin(α
3dB
)，α是波束中心和卫星用户之间的仰角，α
3dB
是卫星波束的3dB角。
[0025]在一个实施例中，所述第二建模结果，包括：
[0026][0027][0028]其中，G
L
代表从无人机到地面的路径损耗，a代表从无人机到地面的小规模衰落，该小规模衰落被建模为莱斯Rician信道，其中a
LoS
为视线分量，a
Ray
为非线性视线瑞利衰落分量，K满足K
B
＝10log
10
(K)，K
B
是Rician参数，g0是在相对无人机一米处的信道功率增益，U
d
代表无人机到目的地的水平距地高度，U
h
代表无人机的高度。
[0029]在一个实施例中，所述第三建模结果，包括：
[0030][0031]其中，g代表地面链路的路径损耗；α代表大规模衰落，α＝C0r
‑4，C0是相对地面基站一米处的信道功率增益，r是地面基站到目的地的距离；g0表示经历Nakagami
‑
m衰落的小规模衰落，其衰落严重度为m、平均功率为Ω。
[0032]在一个实施例中，卫星用户的信干噪比建模结果为：
[0033][0034]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，包括：基于数字孪生辅助技术，获取空天地一体化网络中的卫星、无人机以及地面基站的功率信息，并获取异构链路信道参数；将所获取的功率信息以及异构链路信道参数代入预先构建的联合预编码问题模型；所述联合预编码问题模型是将最大
‑
最小化安全速率问题等效转换而来的凸优化问题；所述最大
‑
最小化安全速率问题，是在对空天地一体化网络异构链路共生安全传输进行建模且考虑了网络中有窃听者存在的基础上所构建的，以空、天、地三种下行链路中传输的预编码向量为求解参数，且以最大化所述三种下行链路中的最小安全速率为优化目标的优化问题；利用连续凸逼近SCA算法对所述联合预编码问题模型进行求解，得到所述三种下行链路中传输的预编码向量，以在所述三种下行链路中按照对应的预编码向量进行信号的安全传输。2.根据权利要求1所述的数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，所述最大
‑
最小化安全速率问题的构建过程，包括：对从卫星到地面的自由空间路径损耗以及卫星波束增益进行建模，得到第一建模结果；对从无人机到地面的路径损耗和小规模衰落进行建模，得到第二建模结果；对地面链路的信道模型进行建模，得到第三建模结果；基于所述第一建模结果、所述第二建模结果以及所述第三建模结果，对卫星用户，无人机用户、地面用户以及窃听用户的信干噪比进行建模；基于卫星用户，无人机用户、地面用户以及窃听用户的信干噪比建模结果，构建所述最大
‑
最小化安全速率问题。3.根据权利要求2所述的数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，所述第一建模结果，包括：C
L
＝(λ/4π)2/(d2+h2)；其中，C
L
代表从卫星到地面的自由空间路径损耗，b代表卫星波束增益；λ代表信号波长，d代表波束中心到卫星覆盖中心的距离，h代表卫星高度，β代表降雨衰减引起的信道增益，β被建模为对数正态分布随机变量；θ代表[0,2π)均匀分布的相位矢量，j代表虚部；G
max
代表最大卫星天线增益；J1(
·
)和J3(
·
)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数；u0＝2.07123sin(α)/sin(α
3dB
)，α是波束中心和卫星用户之间的仰角，α
3dB
是卫星波束的3dB角。4.根据权利要求2所述的数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，所述第二建模结果，包括：
其中，G
L
代表从无人机到地面的路径损耗，a代表从无人机到地面的小规模衰落，该小规模衰落被建模为莱斯Rician信道，其中a
LoS
为视线分量，a
Ray
为非线性视线瑞利衰落分量，K满足K
B
＝10
10
(K)，K
B
是Rician参数，g0是在相对无人机一米处的信道功率增益，U
d
代表无人机到目的地的水平距地高度，U
h
代表无人机的高度。5.根据权利要求2所述的数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，所述第三建模结果，包括：其中，g代表地面链路的路径损耗；α代表大规模衰落，α＝C0r
‑4，C0是相对地面基站一米处的信道功率增益，r是地面基站到目的地的距离；g0表示经历Nakagami
‑
m衰落的小规模衰落，其衰落严重度为m、平均功率为Ω。6.根据权利要求2所述的数字孪生辅助的空天地一体化网络多点共生安全传输方法，其特征在于，卫星用户的信干噪比建模结果为：其中，代表卫星到卫星用户的信道矢量，N
s
是该信道矢量的长度；代表无人机到卫星用户的信道矢量，N
U
是该信道矢量的长度；代表地面基站到卫星用户的信道矢量，N
G
是该信道矢量的长度；代表埃尔米特转置，代表卫星的下行链路中传输的预编码向量，代表无人机的下行链路中传输的预编码向量，代表地面基站的下行链路中传输的预编码向量；代表卫星用户所接收到的噪声功率；γ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹志胜，刘永红，承楠，王葳，贺靖超，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：