CN108770069A - 用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法 - Google Patents

用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，涉及卫星通信网物理层信道通信安全领域。解决了由于星地通信网络中，合法信道与窃听信道相同或近似，导致无法根据合法信道与窃听信道间的差异性实现星地通信网络物理层安全通信及无法提高安全通信能力的问题。首先，获得合法接收端Bob收到的信号yd和窃听接收端Eve收到的信号ye；根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；对Cs(α)进行容量最大化处理，获得Cs(α)最大值时所对应的最优的功率分配因子α*；根据最优的功率分配因子α*，获得卫星Alice的发射功率Ps和协作干扰中继Relay的发射功率Pr，从而完成发射功率的分配。主要应用在星地通信网络中。

Description

用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法
技术领域
本发明涉及卫星通信网物理层信道通信安全领域。
背景技术
由于陆地网络的局限性，其越来越不能满足日益增长的通信需求，卫星通信将被更加广泛地应用。然而卫星通信作为无线通信的典型应用，因其固有的广播性质和广泛的覆盖区域，面临严重的无线通信安全问题。尤其在军用卫星通信方面，安全通信保障要求更是至关重要，如何实现卫星通信的安全是一个必须要面对的问题。
相比传统用于通信安全的密钥加密方式，新型并趋于实用的物理层安全技术作为一种新的选择，填补了密钥加密方式的许多不足，有着诸多优点：
(1)物理层安全可以抵御量子攻击。一旦量子计算进入实用阶段，传统的加密方式在量子计算暴力分析下将受到极其严峻的挑战。
(2)无线传播信道的唯一性、保密性、互异性提供了物理层安全的研究空间。多载波技术、多天线技术及协同中继技术等的出现，增加了信号在频域和空域上的自由度。
(3)无线传输技术与物理层安全技术有着天然的共性和联系，物理层安全实现方式更为便利。它不需要考虑其他的安全协议如何执行，也不需要消耗大量的通信资源或基础设施。并且，它还可以在解调之前快速验证节点的合法性，减少了浪费的信号处理，避免了非预期的传输。因此，物理层安全应该得到足够重视，可以预见，未来的安全通信必将结合物理层安全与传统安全。所以，研究卫星通信中的物理层安全技术是实现卫星通信安全的一种重要手段。
然而，卫星通信对物理层安全关键技术的需求与地面移动通信完全不同。地面移动通信的物理层安全技术主要是利用合法信道与窃听信道之间的差异性实现。由于星地间距离较远，很多情况下，合法信道与窃听信道相同或近似，即合法端与窃听端距卫星的距离相差不大，导致合法信道与窃听信道相同或近似。因此，由于卫星通信中合法信道与窃听信道间没有差异性，所以，现有的地面无线通信物理层安全技术无法应用于卫星通信中。
发明内容
本发明是为了解决由于星地通信网络中，合法信道与窃听信道相同或近似，导致无法根据合法信道与窃听信道间的差异性实现星地通信网络物理层安全通信及无法提高安全通信能力的问题，本发明提供了一种用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法。
用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，包括如下步骤：
步骤一：卫星Alice向地面上的合法接收端Bob发射数据信号，同时，协作干扰中继Relay向合法接收端Bob和窃听接收端Eve发射干扰信号，并根据卫星Alice发射的数据信号和协作干扰中继Relay发射的干扰信号获得合法接收端Bob收到的信号yd和窃听接收端Eve收到的信号ye；
步骤二：根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，α表示功率分配因子；
步骤三：对保密容量Cs(α)进行容量最大化处理，获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的最优的功率分配因子α*；
步骤四：根据最优的功率分配因子α*，获得卫星Alice的发射功率Ps和协作干扰中继Relay的发射功率Pr，从而完成了卫星Alice通信系统在进行数据传输时，卫星Alice和协作干扰中继Relay信号发射功率的分配。
优选的是，步骤一中，所述合法接收端Bob收到的信号yd模型为：
窃听接收端Eve收到的信号ye模型为：
P为总发射功率，P＝Ps+Pr；
hsd为卫星Alice到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量，表示Ns行1列的复数矩阵；
xs为卫星Alice发射的有用信号，表示Ns个元素的复数矢量；
hrd为协作干扰中继Relay到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量， 表示Nr行1列的复数矩阵；
xz为协作干扰中继Relay向窃听接收端Eve发送的人工噪声干扰信号；nd为合法接收端Bob的加性复高斯随机噪声，表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示nd的方差；
hse为卫星Alice到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
hre为协作干扰中继Relay到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
ne为窃听接收端Eve的加性复高斯随机噪声，表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示ne的方差。
优选的是，步骤二中，根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)的具体过程为：
首先，根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd；根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe；
其次，根据信干噪比γd和信干噪比γe，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，
Cs(α)＝[log2(1+γd)-log2(1+γe)]+ (3)。
优选的是，所述根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd的具体过程为：
首先，
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的有用信号，且xs的功率||xs||2为1；则，合法接收端Bob收到的有用信号的功率Pd,s为：
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的干扰信号，且xz的功率||xz||2为1；则，合法接收端Bob收到的干扰信号的功率Pd,j为：
由于，xz与hrd正交，则因此，合法接收端Bob收到的噪声信号nd的功率Pd,n为：
故，合法接收端Bob的信干噪比γd为：
优选的是，所述根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe的具体过程为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的有用信号，且xs的取值为1；则，窃听接收端Eve收到的有用信号的功率Pe,s为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的干扰信号，且xz的功率||xs||2为1；则，窃听接收端Eve收到的干扰信号的功率Pe,j为：
又由于
且xz的功率||xz||2为1，将公式(2-3)代入公式(2-2)中，对公式(2-2)进行整理，获得
由于，xz与hrd正交，则因此，窃听接收端Eve收到的噪声信号ne的功率Pe,n为：
故，窃听接收端Eve的信干噪比γe为：
其中，
为信道状态信息矢量hrd的零空间的单位正交基矩阵，为Nr行Nr-1列的复数矩阵；
z为伪随机复高斯噪声，表示Nr-1个元素的复数矢量。
优选的是，令对公式(1-4)和公式(2-6)进行化简，获得
γd＝αγsd (4)；
γsd、γrd、γse和γre均为中间变量；
将公式(4)和公式(5)代入公式(3)中，对Cs(α)进行化简，获得
优选的是，令F(α)为中间变量；
优选的是，由于F(α)是凹函数，令F(α)的一阶导数为0，即：
求解公式(8)，从而获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的功率分配因子α，
此时，功率分配因子α为最优的功率分配因子α*；
优选的是，Ps＝α*P，Pr＝(1-α*)P，其中，P为总发射功率，P＝Ps+Pr。
原理分析：由于，卫星距离地面的合法接收端和窃听接收端的距离均远大于合法接收端到窃听接收端的距离，合法接收端到窃听接收端的距离能够忽略，所以卫星到合法用户的信道(合法信道)与卫星到窃听接收端的信道(合法信道)相等，而传统的地面无线通信物理层安全技术主要是利用合法信道与窃听信道间的差异性来实现安全通信的，因此，地面无线通信的物理层安全技术不能实现卫星通信网络的安全通信。所以，本发明在近地面添加协作干扰中继。
因为，卫星分别距离地面的合法接收端和窃听接收端的距离与合法接收端到窃听接收端的距离可以进行比拟，所以合法接收端到窃听接收端的距离不能够被忽略，因此，中继到合法接收端的信道与中继到窃听接收端的信道具有差异性。根据上述差异性，合理对卫星端和中继端的发射功率进行分配，从而实现星地通信网络物理层安全通信。
本发明带来的有益效果是，本发明的目的在于实现卫星通信相似信道的物理层安全通信。中继发送干扰信号，该干扰信号与中继到合法接收端的信道正交，合法接收端接收不到来自于中继的干扰信号，信道容量不变，信道内数据正常传输，窃听接收端接收到来自于中继的干扰信号，信道容量降低，从而使其窃取卫星发射的数据的能力降低，最终提高星地通信网络物理层的安全通信性能。
附图说明
图1为星地物理层安全通信系统原理示意图；
图2为本发明所述用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，包括如下步骤：
步骤一：卫星Alice向地面上的合法接收端Bob发射数据信号，同时，协作干扰中继Relay向合法接收端Bob和窃听接收端Eve发射干扰信号，并根据卫星Alice发射的数据信号和协作干扰中继Relay发射的干扰信号获得合法接收端Bob收到的信号yd和窃听接收端Eve收到的信号ye；
步骤二：根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，α表示功率分配因子；
步骤三：对保密容量Cs(α)进行容量最大化处理，获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的最优的功率分配因子α*；
步骤四：根据最优的功率分配因子α*，获得卫星Alice的发射功率Ps和协作干扰中继Relay的发射功率Pr，从而完成了卫星Alice通信系统在进行数据传输时，卫星Alice和协作干扰中继Relay信号发射功率的分配。
本实施方式中，保密容量是衡量保密性能的重要指标，具体指合法接收端的信道容量与窃听接收端的信道容量之差，差值大于0，实现了安全通信。在安全通信的条件下，可通过求使保密容量最大时的功率分配因子，使保密容量达到最大，以提高保密性能。
具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，步骤一中，所述合法接收端Bob收到的信号yd模型为：
窃听接收端Eve收到的信号ye模型为：
P为总发射功率，P＝Ps+Pr；
hsd为卫星Alice到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量，表示Ns行1列的复数矩阵；
xs为卫星Alice发射的有用信号，表示Ns个元素的复数矢量；
hrd为协作干扰中继Relay到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量， 表示Nr行1列的复数矩阵；
xz为协作干扰中继Relay向窃听接收端Eve发送的人工噪声干扰信号；nd为合法接收端Bob的加性复高斯随机噪声，表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示nd的方差；
hse为卫星Alice到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
hre为协作干扰中继Relay到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
ne为窃听接收端Eve的加性复高斯随机噪声，表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示ne的方差。
具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，步骤二中，根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)的具体过程为：
首先，根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd；根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe；
其次，根据信干噪比γd和信干噪比γe，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，
Cs(α)＝[log2(1+γd)-log2(1+γe)]+ (3)。
具体实施方式四：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，所述根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd的具体过程为：
首先，
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的有用信号，且xs的功率||xs||2为1；则，合法接收端Bob收到的有用信号的功率Pd,s为：
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的干扰信号，且xz的功率||xz||2为1；则，合法接收端Bob收到的干扰信号的功率Pd,j为：
由于，xz与hrd正交，则因此，合法接收端Bob收到的噪声信号nd的功率Pd,n为：
故，合法接收端Bob的信干噪比γd为：
具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，所述根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe的具体过程为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的有用信号，且xs的取值为1；则，窃听接收端Eve收到的有用信号的功率Pe,s为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的干扰信号，且xz的功率||xs||2为1；则，窃听接收端Eve收到的干扰信号的功率Pe,j为：
又由于
且xz的功率||xz||2为1，将公式(2-3)代入公式(2-2)中，对公式(2-2)进行整理，获得
由于，xz与hrd正交，则因此，窃听接收端Eve收到的噪声信号ne的功率Pe,n为：
故，窃听接收端Eve的信干噪比γe为：
其中，
为信道状态信息矢量hrd的零空间的单位正交基矩阵，为Nr行Nr-1列的复数矩阵；
z为伪随机复高斯噪声，表示Nr-1个元素的复数矢量。
本实施方式中，由于为信道状态信息矢量hrd的零空间的单位正交基矩阵，即表示所有元素均为0的1行Nr-1列的矩阵。
具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，
令对公式(1-4)和公式(2-6)进行化简，获得
γd＝αγsd (4)；
γsd、γrd、γse和γre均为中间变量；
将公式(4)和公式(5)代入公式(3)中，对Cs(α)进行化简，获得
具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，令F(α)为中间变量；
具体实施方式八：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，由于F(α)是凹函数，令F(α)的一阶导数为0，即：
求解公式(8)，从而获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的功率分配因子α，
此时，功率分配因子α为最优的功率分配因子α*，
具体实施方式九：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法的区别在于，Ps＝α*P，Pr＝(1-α*)P，其中，P为总发射功率，P＝Ps+Pr。
本发明所述用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法不局限于上述各实施方式所记载的具体步骤，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (9)

1.用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：卫星Alice向地面上的合法接收端Bob发射数据信号，同时，协作干扰中继Relay向合法接收端Bob和窃听接收端Eve发射干扰信号，并根据卫星Alice发射的数据信号和协作干扰中继Relay发射的干扰信号获得合法接收端Bob收到的信号yd和窃听接收端Eve收到的信号ye；
步骤二：根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，α表示功率分配因子；
步骤三：对保密容量Cs(α)进行容量最大化处理，获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的最优的功率分配因子α*；
步骤四：根据最优的功率分配因子α*，获得卫星Alice的发射功率Ps和协作干扰中继Relay的发射功率Pr，从而完成了卫星Alice通信系统在进行数据传输时，卫星Alice和协作干扰中继Relay信号发射功率的分配。
2.根据权利要求1所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，步骤一中，所述合法接收端Bob收到的信号yd模型为：
窃听接收端Eve收到的信号ye模型为：
P为总发射功率，P＝Ps+Pr；
hsd为卫星Alice到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量， 表示Ns行1列的复数矩阵；
xs为卫星Alice发射的有用信号， 表示Ns个元素的复数矢量；
hrd为协作干扰中继Relay到合法接收端Bob间的信道状态信息矢量， 表示Nr行1列的复数矩阵；
xz为协作干扰中继Relay向窃听接收端Eve发送的人工噪声干扰信号；nd为合法接收端Bob的加性复高斯随机噪声， 表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示nd的方差；
hse为卫星Alice到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
hre为协作干扰中继Relay到窃听接收端Eve间的信道状态信息矢量，
ne为窃听接收端Eve的加性复高斯随机噪声， 表示服从均值为0，方差为的复高斯分布的随机变量的集合，表示ne的方差。
3.根据权利要求2所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，步骤二中，根据信号yd和ye，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)的具体过程为：
首先，根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd；根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe；
其次，根据信干噪比γd和信干噪比γe，获得卫星Alice至合法接收端Bob的信道保密容量Cs(α)；其中，
Cs(α)＝[log2(1+γd)-log2(1+γe)]+ (3)。
4.根据权利要求3所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，所述根据信号yd，获得合法接收端Bob的信干噪比γd的具体过程为：
首先，
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的有用信号，且xs的功率||xs||2为1；则，合法接收端Bob收到的有用信号的功率Pd,s为：
由于，公式(1)中为合法接收端Bob收到的干扰信号，且xz的功率||xz||2为1；则，合法接收端Bob收到的干扰信号的功率Pd,j为：
由于，xz与hrd正交，则因此，合法接收端Bob收到的噪声信号nd的功率Pd,n为：
故，合法接收端Bob的信干噪比γd为：
5.根据权利要求4所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，所述根据信号ye，获得窃听接收端Eve的信干噪比γe的具体过程为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的有用信号，且xs的取值为1；则，窃听接收端Eve收到的有用信号的功率Pe,s为：
由于，公式(2)中为窃听接收端Eve收到的干扰信号，且xz的功率||xs||2为1；则，窃听接收端Eve收到的干扰信号的功率Pe,j为：
又由于
且xz的功率||xz||2为1，将公式(2-3)代入公式(2-2)中，对公式(2-2)进行整理，获得
由于，xz与hrd正交，则因此，窃听接收端Eve收到的噪声信号ne的功率Pe,n为：
故，窃听接收端Eve的信干噪比γe为：
其中，
为信道状态信息矢量hrd的零空间的单位正交基矩阵， 为Nr行Nr-1列的复数矩阵；
z为伪随机复高斯噪声， 表示Nr-1个元素的复数矢量。
6.根据权利要求5所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，
令对公式(1-4)和公式(2-6)进行化简，获得
γd＝αγsd (4)；
γsd、γrd、γse和γre均为中间变量；
将公式(4)和公式(5)代入公式(3)中，对Cs(α)进行化简，获得
7.根据权利要求6所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，令F(α)为中间变量；
8.根据权利要求6所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，由于F(α)是凹函数，令F(α)的一阶导数为0，即：
求解公式(8)，从而获得保密容量Cs(α)最大值时所对应的功率分配因子α，
此时，功率分配因子α为最优的功率分配因子α*，
9.根据权利要求1所述的用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法，其特征在于，Ps＝α*P，Pr＝(1-α*)P，其中，P为总发射功率，P＝Ps+Pr。
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