CN107888270A

CN107888270A - 认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法

Info

Publication number: CN107888270A
Application number: CN201711422434.0A
Authority: CN
Inventors: 费泽松; 李斌; 戴曼; 蒋逸凡; 匡镜明
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: CN107888270B

Abstract

本发明涉及一种认知卫星地面融合网络的物理层安全传输方法，属于无线传输技术领域。本发明在保证地面用户终端通信质量的条件下，通过在地面基站设计最小功率的波束成形方案，降低卫星链路窃听终端的信号和噪声干扰比，使得卫星链路终端的安全传输速率最大。对比现有技术，本发明适用于下一代5G无线通信的异构网络构架，在存在窃听的场景下、保证地面用户终端通信质量的条件下，消耗最小的地面基站发射功率为卫星链路终端提供最大的安全传输速率。

Description

认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法

技术领域

本发明提供一种认知卫星地面融合网络的物理层安全传输方法，属于无线传输技术领域。

背景技术

由于互联网智能设备的高度普及(比如智能手机、平板电脑等)，极大地促进了高速率多媒体无线服务的快速发展，这使得移动运营商必须在下一代5G无线通信中提供更高的容量和更广的覆盖范围。通过增加小区密度获得更高的空间频谱复用是一种十分有效的解决手段。异构网络(HCN,Heterogeneous Network) 由于可以实现无缝覆盖和更高的数据速率，成为一种前景广阔的网络密集化构架，并引起了学术界和工业界的广泛关注。卫星地面融合网络因为有着日益增长的覆盖范围和传输多媒体服务的能力而成为未来异构网络的趋势。但是，指数增长的多媒体内容会带来频谱资源的严重不足。为了解决这个问题，认知无线电近年来被应用到卫星地面融合网络中，用来提高无线资源的频谱利用率，被称为认知卫星地面融合系统。认知卫星地面融合系统中卫星地面系统可以共享同一频带，这在未来5G网络的发展和实现过程中发挥了巨大的作用。

异构网络构建了一种多个终端具有不同属性的多层拓扑结构，由于异构网络固有的开放性以及无线信道的广播特性，使得网络中的无线信息极容易被窃听。为此，物理层安全的提出被视为一种极为有效的解决手段。通过利用物理信道例如噪声和干扰的随机特性来实现安全传输，物理层安全已被证实能够大幅度提高异构网络的无线安全性能。

由于认知卫星地面融合网络中，卫星系统和地面系统共享同一频带，但是卫星通信信道和地面通信信道却差别很大，传统的方案已不能满足安全需求。因此，如何在认知卫星地面融合网络中实现安全传输是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决认知卫星地面融合网络中通信安全的问题，提出了一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法，包括以下步骤：

步骤1：地面基站设计最小功率的物理层安全传输方案；

为实现安全传输，地面基站BS设计发射波束成形方案来防止卫星链路终端PU被窃听，通过解决下面的优化问题可以得到满足安全传输的发射波束成形向量波束成形向量表示BS对各发射天线信号的加权合成；

s.t.

W≥0,λ_p≥0,η_p≥0,λ_e≥0,η_e≥0,λ_s≥0,η_s≥0； (5)

rank(W)＝1； (6)

A＝-W； (8)

其中rank(·)表示矩阵的秩，Tr(·)表示矩阵的迹，上标H表示矩阵的共轭转置，vec(·)表示将矩阵向量化，λ_p，η_p，λ_e，η_e，λ_s和η_s为引入的松弛变量,N_t为地面基站的发射天线数目，为维度为N_t的单位矩阵，P_p表示地球同步轨道卫星SAT的发射功率，表示从BS到PU之间的信息链路的信道参数，表示从BS到窃听终端Eve之间的窃听链路的信道参数，表示从 BS到地面用户终端SU之间的干扰链路的信道参数，和表示 BS到PU、Eve、SU链路的信道误差，服从均值为0，协方差分别为Ω_p，Ω_e，Ω_s的复高斯分布，即 CN(0,Ω_i)表示变量服从均值为0，协方差为Ω_i的复高斯分布，i∈{p,e,s}，分别为PU、Eve、SU对应的基站侧信道估计值，h_p表示从SAT到PU之间的信息链路的信道参数，h_e表示从SAT到Eve 之间的窃听链路的信道参数，h_s表示从SAT到SU之间的干扰链路的信道参数，分别表示PU、SU、Eve的噪声功率；矢量的欧几里德范数表示为 ||·||，γ_p表示PU为达到安全传输需满足的最小SINR值，γ_e表示为满足安全传输Eve的最大SINR值，γ_s表示能够保证地面用户终端SU可靠通信的最小SINR值当链路容量不能满足所要求的用户速率时会产生中断，最大中断概率对应最小的链路容量，ρ_p∈(0,1]，ρ_e∈(0,1]，ρ_s∈(0,1]分别表示 PU，Eve，SU对应的最大中断概率；

步骤2：地球同步轨道卫星SAT发送数据给卫星链路终端PU，地面基站 BS采用步骤1提供的安全传输方案发送数据给地面用户终端SU，窃听终端Eve 窃听地球同步轨道卫星SAT发送的数据；

x_p和x_s分别为SAT和BS发送的数据，满足E{|x_p|²}＝1，E{|x_s|²}＝1，其中，E{·}＝1表示信号功率为1，|·|表示变量的绝对值；

步骤3：接收端接收信号并根据接收信号计算信号和噪声干扰比；

PU接收到的信号y_p、SU接收到的信号y_s、Eve接收信号y_e分别为：

其中，表示PU的加性高斯噪声，表示 SU的加性高斯噪声，表示Eve的加性高斯噪声；

根据接收信号可以计算出接收端的信号和噪声干扰比SINR(signal tointerference plus noise ratio)，则PU的SINR为：

Eve的SINR为：

SU的SINR为：

步骤4：PU侧根据下式计算其安全传输速率R_sec并按照此速率进行数据传输：

R_sec＝[log₂(1+SINR_p)-log₂(1+SINR_e)]； (21)

至此完成了认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输。

本发明的技术原理：一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法，基于认知卫星地面融合网络，该网络包括卫星通信系统和地面通信系统，二者共享同一频谱资源；卫星链路对应于初级网络，地面链路对应于次级网络；在初级网络中，地球同步轨道卫星SAT(satellite)配备单天线，初级网络中存在两类用户，分别为卫星链路终端PU和窃听终端Eve,用户终端均配备单天线，其中SAT发送机密信息给PU，Eve被认为会窃听卫星信号；在次级网络中，地面基站BS配备N_t根发射天线，与地面用户终端SU通信，地面用户终端配备单天线；BS知道PU、Eve和SU的随机信道状态指示CSI；

包括以下步骤：

步骤一：地球同步轨道卫星SAT发送数据给卫星链路终端PU，地面基站 BS发送数据给地面用户终端SU；

为实现安全传输，BS采用线性发射波束成形方案来防止卫星链路终端PU 被窃听，因此PU接收到的信号为y_p：

SU接收到的信号为y_s：

Eve接收信号为y_e：

其中，x_p和x_s分别表示SAT和BS发射的数据，且E{|x_p|²}＝1， E{|x_s|²}＝1，E{·}＝1表示发射信号的功率为1，|·|表示变量的绝对值，P_p表示SAT的发射功率，表示波束成形向量，表示PU的加性高斯噪声，表示SU的加性高斯噪声，表示Eve 的加性高斯噪声，其中分别表示PU、SU和Eve的噪声功率，表示变量服从均值为0，协方差为的复高斯分布，上标H表示矩阵的共轭转置；

因此，PU的信号和噪声干扰比SINR(signal to interference plus noiseratio) 为：

Eve的SINR为：

BS同时影响SINR_p和SINR_e，如果在BS侧实施发射波束成形设计，降低Eve的输出SINR，则可以提高PU的安全性，为此，应根据信道条件适当地控制波束成形向量使得来自BS的发射信号不严重干扰PU的同时降低Eve 的SINR；

SU的SINR为：

在实际的通信系统中，因为PU和Eve在卫星网络内，所以BS不知道PU 和Eve的精确信道信息；同时，由于估计和反馈误差，本发明假设地面用户终端SU的信道状态信息CSI对于地面基站BS也是不可用的，故采用一个随机模型来表征信道向量

其中和表示地面基站BS到PU、Eve、SU的信道参数，分别为PU、Eve、SU对应的基站侧信道估计值，和表示BS 到PU、Eve、SU的信道误差，服从复高斯分布；

CSI误差向量可表示为

其中

本发明设定地面用户终端SU和卫星链路终端PU在相同的频带上运行，然而，卫星链路终端PU是许可用户，因此地面基站BS需要通过适当的传输波束成形设计来保证卫星链路终端PU的服务质量，因此，可以在卫星链路终端PU 的SINR中断约束，窃听终端Eve的泄漏SINR中断约束和地面用户终端SU的 SINR中断约束以及卫星终端PU的干扰中断约束下设计波束成形向量来最小化地面基站BS的功率消耗，因此，安全传输波束成形设计方案可以表示为一个如下的优化问题

s.t. Pr{SINR_p≥γ_p}≥1-ρ_p,；

Pr{SINR_e≤γ_e}≥1-ρ_e,；

Pr{SINR_s≥γ_s}≥1-ρ_s,；

其中Pr{·}表示概率测度，矢量的欧几里德范数表示为||·||，γ_p表示用于信息解码的卫星链路终端PU的指定SINR目标，γ_e表示用于窃听终端Eve的最大可容忍SINR，γ_s表示能够保证地面用户终端SU可靠通信的SINR最小门限，γ_th表示卫星终端PU的最大可容忍干扰约束；当链路容量不能满足所要求的用户速率时会产生中断，最大中断概率对应最小的链路容量，ρ_p∈(0,1]，ρ_e∈(0,1]，ρ_s∈(0,1]和ρ_th∈(0,1]分别表示PU，Eve，SU和PU的干扰限制对应的最大中断概率；

PU的安全传输速率可以表示为

R_sec＝[log₂(1+SINR_p)-log₂(1+SINR_e)]；

上述优化问题是非凸的，没有易处理的闭式表达式，采用一般的优化方案很难解决此问题；

步骤二：采用基于Bernstein-Type不等式的方法解决上述优化问题；

定义其秩为rank(W)＝1且根据 Bernstein-Type不等式，并引入松弛变量λ_p≥0和η_p≥0，则PU的SINR中断概率约束可以被转化为一个有限长的凸约束序列，可以表示为

其中

将Eve的可容忍的泄露SINR中断概率约束转化为一个有限长的凸约束序列，表示为

其中为维度为N_t的单位矩阵，λ_e≥0和η_e≥0为引入的松弛变量。引入松弛变量λ_s≥0和η_s≥0，则SU的SINR 中断概率约束可以转化为

其中

则上述优化问题可以表示为

W≥0,λ_p≥0,η_p≥0；

λ_e≥0,η_e≥0,λ_s≥0,η_s≥0；

通过上面的转化，优化问题成为一个凸问题，使用凸优化技术可以求解。

至此完成了认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输。

有益效果

对比现有技术，本发明具有以下特点：

1.本发明是一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方案，所提出的方案考虑了随机CSI模型，更加符合现实通信网络的状况和需求，将会在未来5G通信网络中带来更加广泛地应用。与现有的物理层安全传输方案相比，采用了适用于下一代5G无线通信的异构网络构架，在存在窃听的场景下，为卫星链路终端提供最大的安全传输速率。

2.本发明所述方法能够在通信过程中满足每个用户终端的SINR要求，在地面基站总发射功率限制条件下，找到卫星通信链路终端最大的安全通信速率，保障系统的正常通信。

附图说明

图1本发明一种认知卫星地面融合网络的物理层安全传输方法的系统结构示意图；

图2为实施例中本发明提出的一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法与S-Procedure方案在卫星链路终端最小SINR约束下的地面基站平均传输功率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明考虑的场景如图1所示，在认知卫星地面融合网络中，部署了卫星通信系统和地面通信系统，它们共享同一频谱资源。卫星链路对应于初级网络，地面链路对应于次级网络。在初级网络中，地球同步轨道卫星(SAT，satellite) 配备单天线，初级网络中存在两类用户，分别为卫星链路终端(PU，satellite user) 和窃听终端(Eve，eavesdropper),用户终端均配备单天线，其中SAT发送机密信息给PU，Eve被认为会窃听卫星信号。在次级网络中，地面基站(BS，base station)配备N_t＝4根发射天线，与地面用户终端(SU，terrestrialuser)通信，地面用户终端配备单天线。本发明假定，地面基站BS的发送信号将会作为一种有益的干扰源引进卫星链路中，以提高卫星链路终端PU的通信安全。

本方案假设地面网络只知道卫星链路终端PU、窃听终端Eve和地面用户终端SU的随机信道状态指示(CSI，channel state information)。

步骤1：地面基站设计最小功率的物理层安全传输方案；

采用凸优化技术对满足公式(2)-(14)所述条件的公式(1)优化问题进行求解。

本实施例中设置地面基站的发射天线数目N_t＝4，SAT的发射功率 P_p＝40W，均服从参数为1的瑞利分布，R_p,R_e,R_s分别表示BS到PU、Eve、 SU的信道链路的信道相关矩阵，[R_i,i∈{p,e,s}]_m,n表示矩阵R_i的第 (m,n)个元素，j表示虚数单位，

λ＝0.15米代表载波波长，是两个相邻天线之间的距离，PU和SU 偏离角分别为θ_s＝0°、θ_p＝40°，PU和SU的角度扩展为Δθ_p＝Δθ_s＝5°，基站侧不知道窃听终端的角度信息，为达到最佳效果，窃听终端的角度信息可以为任何值，ε的取值范围为0.005～0.03，h服从参数为(0.063,2， 8.97×10^-4)的阴影莱斯衰落模型,PU与SAT中心波束之间的夹角φ_p＝0.01°，Eve和SAT波束之间的夹角φ_e＝0.4°，SU和SAT波束之间的夹角φ_s＝0.8°， SAT天线增益为3dB的角度φ_3dB＝0.4°，

最大天线增益b_max＝52dBi，J₁(·)和J₃(·)对应于1阶和3阶的第一类贝塞尔函数，γ_p取值范围为2～10dB，γ_e＝0dB，γ_s＝15dB，取ρ_p＝ρ_e＝ρ_s＝ρ，ρ的取值范围为0.01～0.25；

设置PU、SU和Eve的噪声功率分别为

步骤4：PU侧计算其安全传输速率R_sec并按照此速率进行数据传输；

至此完成了认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输。

本领域技术人员知道，不限于上述参数在本实施例中的具体赋值，本领域技术人员可以根据具体的应用场景以及参数的物理含义进行具体赋值。

本发明所提的认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法与S-Procedure方案在卫星链路终端最小SINR约束下的地面基站平均传输功率对比示意图如图2所示，在同样的卫星链路终端最小SINR约束下，本发明所提方案所需的基站平均传输功率明显小于S-Procedure方案。这个结果表明，本方案较S-Procedure方案进行安全传输将更有优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：地面基站设计最小功率的物理层安全传输方案；

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W≥0,λ_p≥0,η_p≥0,λ_e≥0,η_e≥0,λ_s≥0,η_s≥0； (5)

rank(W)＝1； (6)

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其中rank(·)表示矩阵的秩，Tr(·)表示矩阵的迹，上标H表示矩阵的共轭转置，vec(·)表示将矩阵向量化，λ_p，η_p，λ_e，η_e，λ_s和η_s为引入的松弛变量,N_t为地面基站的发射天线数目，为维度为N_t的单位矩阵，P_p表示地球同步轨道卫星SAT的发射功率，表示从BS到PU之间的信息链路的信道参数，表示从BS到窃听终端Eve之间的窃听链路的信道参数，表示从BS到地面用户终端SU之间的干扰链路的信道参数，和表示BS到PU、Eve、SU链路的信道误差，服从均值为0，协方差分别为Ω_p，Ω_e，Ω_s的复高斯分布，即

CN(0,Ω_i)表示变量服从均值为0，协方差为Ω_i的复高斯分布，i∈{p,e,s}，分别为PU、Eve、SU对应的基站侧信道估计值，h_p表示从SAT到PU之间的信息链路的信道参数，h_e表示从SAT到Eve之间的窃听链路的信道参数，h_s表示从SAT到SU之间的干扰链路的信道参数，分别表示PU、SU、Eve的噪声功率；矢量的欧几里德范数表示为||·||，γ_p表示PU为达到安全传输需满足的最小SINR值，γ_e表示为满足安全传输Eve的最大SINR值，γ_s表示能够保证地面用户终端SU可靠通信的最小SINR值当链路容量不能满足所要求的用户速率时会产生中断，最大中断概率对应最小的链路容量，ρ_p∈(0,1]，ρ_e∈(0,1]，ρs∈(0,1]分别表示PU，Eve，SU对应的最大中断概率；

步骤2：地球同步轨道卫星SAT发送数据给卫星链路终端PU，地面基站BS采用步骤1提供的安全传输方案发送数据给地面用户终端SU，窃听终端Eve窃听地球同步轨道卫星SAT发送的数据；

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其中，表示PU的加性高斯噪声，表示SU的加性高斯噪声，表示Eve的加性高斯噪声；

根据接收信号可以计算出接收端的信号和噪声干扰比SINR(signal to interferenceplus noise ratio)，则PU的SINR为：

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Eve的SINR为：

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SU的SINR为：

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R_sec＝[log₂(1+SINR_p)-log₂(1+SINR_e)]； (21)

至此完成了认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输。

2.根据权利要求1所述的一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法，其特征在于：

所述均服从参数为1的瑞利分布，R_p,R_e,R_s分别表示BS到PU、Eve、SU的信道链路的信道相关矩阵，[R_i,i∈{p,e,s}]_m,n表示矩阵R_i的第(m,n)个元素，j表示虚数单位，

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λ＝0.15米代表载波波长，是两个相邻天线之间的距离，PU和SU偏离角分别为θ_s＝0、θ_p＝40°，PU和SU的角度扩展为Δθ_p＝Δθ_s＝5°，基站侧不知道窃听终端的角度信息，为达到最佳效果，窃听终端的角度信息可以为任何值，ε的取值范围为0.005～0.03，

h服从参数为(0.063,2，8.97×10^-4)的阴影莱斯衰落模型，PU与SAT中心波束之间的夹角φ_p＝0.01°，Eve和SAT波束之间的夹角φ_e＝0.4°，SU和SAT波束之间的夹角φ_s＝0.8°，SAT天线增益为3dB的角度φ_3dB＝0.4°，

最大天线增益b_max＝52dBi，J₁(·)和J₃(·)对应于1阶和3阶的第一类贝塞尔函数，γ_p取值范围为2～10dB，γ_e＝0dB，γ_s＝15dB，取ρ_p＝ρ_e＝ρ_s＝ρ，ρ的取值范围为0.01～0.25。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种认知卫星地面融合网络中的物理层安全传输方法，其特征在于：PU、SU和Eve的噪声功率分别为