CN109889254B - 一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，该方法首先在卫星地面发射机中，对待发信息进行组帧处理，对每个长帧先进行完美扰乱，再对扰乱后的数据进行差分组合编码，将差分组合编码后的数据分成若干个短帧，对每个短帧的数据进行纠错编码、星座映射和调制并发送给卫星，通过控制地面发送功率和定向天线，使得卫星可以可靠并安全的接收发送的数据。其次，卫星采取存储转发以及ARQ方式向地面某个接收区域转发数据。最后地面合法接收端通过向卫星发送重传帧号请求，卫星收到后，向地面重新传送相同帧号的信息。本发明的方法具有良好的可行性。

Description

一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法

技术领域

本发明属于卫星通信物理层安全通信技术领域，具体地说，涉及一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法。

背景技术

卫星通信就是以卫星为中继器，实现地面远距离通信的一种通信方式。卫星通信系统较陆地通信系统而言具有信号覆盖区域广、通信距离远、可利用频带宽、通信容量大和通信线路稳定等优点，得到了广泛应用。但由于卫星通信的广播性强且覆盖区域广，从而会受到恶意破坏设备、篡改、窃听等严重安全的威胁。由于卫星通信是无线通信的一种，许多研究人员通过上层的传统密钥加密方法来实现卫星通信的安全，且密钥的计算复杂度越高通信系统的安全性越强，但随着计算机计算能力的不断提高，传统密钥加密方法的安全性遇到了严重挑战。随着纠错编码技术、多载波调制技术和多天线技术的不断发展，基于物理层无需密钥的安全方法受到了众多学者们的关注。

由于地面无线通信过程中接收端和发送端之间存在许多的障碍物，合法信道质量与非法窃听信道质量之间会出现差异，同时地面无线通信也比较容易采用其它人工噪声方法创建差异化信道，使得地面无线物理层通信可以借助这样的差异来保证系统的物理层安全性。而在卫星通信系统中，卫星到合法接收端或非法窃听端的距离要远大于合法接收端与非法窃听端之间的距离，则合法信道的信道质量与非法窃听信道的信道质量可以视为相同或相近，同时，创建差异化信道也比较困难。因此，基于不同信道差异性的无线物理层安全通信方案并不适用于卫星通信中，所以构建一个适用于卫星通信的物理层安全系统是接下来需要研究的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出了一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，该方法基于卫星通信模型，将完美扰乱、差分组合编码、纠错编码和自动重传请求机制有机结合，引入到卫星通信系统中，是利用合法信道和窃听信道噪声的随机性设计得到的。在该方法中，假设地面发射机到卫星的信息传输是可靠且安全的，这是因为地面发射机的天线是朝向卫星的定向天线，非法窃听端很难接收到其发送的信息，同时地面发送功率限制小，可以实现高信噪比传送；在接收端，假设合法信道和窃听信道的质量相同，但是他们的信道不同；合法接收端可以向卫星发送帧号重传请求，非法窃听端不能发送，只能被动接收信息。

其技术方案如下：

一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，包括以下步骤：

步骤1，地面发射端首先对信息X进行组帧处理，将其划分成长度为K的长帧，接着采用一个大小为K×K且列密度均为0.5的可逆伪随机矩阵对每个长帧进行加扰变换，然后对加扰变换后的信息再进行差分组合编码，对编码后的数据进行分帧处理，将其划分为长度均为k的短帧组Y(i)，其中i表示帧号。

步骤2，对短帧组Y(i)进行纠错编码、星座映射和发射处理单元，得到信息S(i)，然后通过定向天线将其发送给卫星。

步骤3，卫星一方面将接收到的信息S(i)进行解调和存储，另一方面以广播的形式将信息S(i)发送到地面接收端。当卫星接收到重传帧号请求时，将其存储的帧序列中与请求帧号相同的帧重新发送。

步骤4，合法接收端和非法窃听端分别利用各自的天线接收到信息R(i)，并分别将信息R(i)依次通过接收处理单元、高阶星座软解调和译码器，获得帧序列Y′(i)。然后，合法用户执行下面的步骤5和步骤6，非法用户执行下面的步骤7。

步骤5，合法接收者将帧序列Y′(i)送入ARQ处理模块。

步骤6，合法接收者将完成Q次重传后获得所有帧按照帧号顺序重新组帧，得到长度为K的长帧，对长帧先进行差分组合解码，再通过大小为K×K的伪随机逆矩阵进行解扰，恢复原始信息X′_B。

步骤7，非法用户在首次获得信息Y′(i)的基础上，再次接收卫星的重传帧，判断帧的错对，将自己认为对的帧按帧号顺序重新组帧、差分组合解码和解扰，得到信息X′_E。

进一步，步骤1中对信息进行组帧和分帧处理，然后对短帧采用纠错编码，使得接收端可以识别其错对；对长帧进行信息置乱、差分组合编码、解差分和解扰后，实现窃听用户的错误比特由每个短帧扩散到整个长帧，使其误码率达到0.4以上；合法用户由于采用ARQ方式重传，其每个短帧中没有错误，所以解差分和解扰后其误码率仍然为0。

进一步，步骤1和步骤5中，通过完美扰乱、差分组合编码和ARQ技术相结合，将合法信道和窃听信道噪声的随机性转化为物理层安全性，在窃听信道传输质量和合法信道传输质量相同的情况下，实现了信息无密钥物理层安全传输。

进一步，步骤5中，所述ARQ处理模块的工作步骤如下：

5.1、基于纠错编码的校验矩阵，判断首次接收帧序列Y′(i)的错对，将对的

帧送入解扰器，将错误帧的帧号发送给卫星；

5.2、对二次接收的帧序列重复5.1的步骤，依次类推，直到最后一次重传时，

达到重传次数门限Q或合法接收端获得了所有对的帧，将接收的帧序列全部

送入解扰器。

本发明的有益效果为：

本发明设计的安全通信方法中，非法窃听端除了没有请求重传的权利外，与合法接收端共享所有的信息。卫星首次以一定功率将信息发送给地面接收端，合法接收端接收的信息中误帧个数为M，非法接收端接收的信息中误帧个数为N。本发明是将完美扰乱、差分组合编码和纠错编码相结合的新保密编码方案。理论分析和仿真实验结果表明，在长帧长度为9216，短帧长度为288，重传次数的门限Q＝3时，存在宽度为1.2dB的信噪比范围，当合法用户工作在这个范围内时，可以可靠且安全的传输数据，本发明的方法具有良好的可行性。

附图说明

图1为本发明适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法的系统框图。

图2为信息首次传输后地面接收端获得的信息。

图3为经过重传后合法接收端与非法窃听端获得的信息。

图4为一般无线通信系统中误码率曲线及信噪比区域划分。

图5为实施例1长帧长度K＝4608时地面接收端的误码率曲线图。

图6为实施例2长帧长度K＝9216时地面接收端的误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

以下是对本发明可行性的分析：

1、噪声随机性对信息传输的影响：

本发明设计的安全通信方法中，非法窃听端除了没有请求重传的权利外，与合法接收端共享所有的信息。卫星首次以一定功率将信息发送给地面接收端，合法接收端接收的信息中误帧个数为M，非法接收端接收的信息中误帧个数为N。由于通信系统中主要的噪声为热噪声，它是一种高斯随机过程，不同时刻噪声的取值是互不相关的，则相互独立的信道中噪声具有随机性，从而合法接收端与非法接收端的误帧号不完全相同。合法接收端向卫星发送误帧号后，卫星向地面接收端重传与请求帧号相同的帧，假设Q＝1，即本次信息传输是无差错的，合法接收端可以修正所有的误帧，其误帧的个数

误帧率

经过差分组合解码和完美解扰后误码率为

而非法窃听端仅能修正与接收的帧号相同的帧序列，其误帧个数为

接下来，将给出接到重传帧后非法接收端获得的误帧率

和经差分组合解码、完美解扰后的误码率

若卫星重传所有可能帧的图样为

(L为卫星存储帧的总个数)，其中可能含有非法窃听端N个误帧中i个帧的图样为

则可以得到误帧重传后非法窃听端误帧个数为

的概率为：

根据上式，此时非法用户端的平均误帧率为：

差分组合解码后的误帧率为：

其中，a为一个大于0的差分系数。

则完美解扰后的误码率为：

从上式得到，若非法窃听端短帧中存在错误比特，经过差分组合解码和完美解扰后错误比特将进一步的扩散到长帧中，使非法窃听端获得较高的误码率。

为了更清楚的说明上述内容，接下来举一个例子。

控制发射功率使得地面接收端首次接收的信息中误帧率不为0，基于信道中噪声具有随机性，信息通过合法信道和窃听信道后所获得的信息中误帧号不完全相同，合法接收端的误帧号为2、3、5、7、10、12、13，非法窃听端的误帧号1、3、7、9、11、14、n，具体如图2所示。非法窃听端只能被动接受信息，而合法接收端可以采用自动重传机制向卫星请求重传误帧号为2、3、5、7、10、12、13的信息。卫星接受请求后将帧号为2、3、5、7、10、12、13的正确帧以广播的形式发送出去，若这次重传为无差错重传，合法接收端可以获得所有正确的信息(图3所示)，此时合法接收端的误帧率

通过差分组合解码和完美解扰后其误码率

而非法窃听端仅能获得帧号为3和7的正确帧，帧号为1、9、11、14和n的帧中依然存在错误(图3所示)，通过差分组合解码和完美解扰后帧号为1、9、11、14和n的帧中出现错误比特大范围的扩散，此时非法窃听端的误帧率为

经过差分组合解码和完美解扰后的误码率为

若

则可以保证通信系统的安全性。

2、将完美扰乱、差分组合编码和纠错编码相结合的新保密编码方案的性能分析：

已知一般无线通信系统的误码率曲线会随着信噪比的增加，呈现缓慢下降趋势，将误码率曲线变化过程中的信噪比划分为3个区域，分别称为高信噪比、中信噪比和低信噪比区域，具体如图4所示。本发明通过具有良好性能的纠错编码实现高信噪比区域的误码率快速趋于0，通过差分组合编码使得中信噪比区域(错误个数接近纠错编码的纠错能力)的误码率增加若干倍，最后通过完美扰乱将已抬高的中信噪比区域的误码率和低信噪比区域中较高的误码率抬高到0.4以上，从而实现整体误码率雪崩式下降，具体见图4中浅灰色实线绘制的曲线。新保密编码方案中采用较高阶的差分组合编码可以大幅抬高中信噪比区域内较低的误码率，有效减小完美扰乱对信息分组长度的限制。综合以上分析结果可以说明本发明提出的一种适用于卫星通信星地链路物理层安全的通信方法具有良好的可行性。

实施例1：

由于卫星通信中合法信道的信道质量等于非法窃听信道的信道质量，但两方的信道并不相同，基于信道的噪声随机性，改变不同的发射功率分别以合法接收端和非法窃听端在本发明的安全通信方法下进行仿真，仿真的具体参数如下：在合法发送端产生512组长度为k＝288的信息源，长度为k＝288的短帧每16组进行组帧，组成长度为K＝4608的长帧，共产生32个长帧。每个长帧在传输的过程中采用一阶差分分组编码，且使用的扰乱矩阵是一个大小为4608×4608的列密度均为0.5的可逆伪随机矩阵，该伪随机矩阵的逆矩阵将作为解扰矩阵。通信系统中采用基于(576，288)QC-LDPC码的RU编码算法进行编码，采用基于高阶星座软解调的Log-BP译码算法进行译码，采用16QAM星座调制方式进行调制操作，且给定合法接收端向卫星请求重传次数的门限Q＝3。

仿真后合法接受端和非法窃听端的误码率曲线如图5中所示。

图5中带三角标记的曲线为合法接收端的误码率曲线，带圆圈标记的曲线为非法窃听端的误码率曲线。合法接收端的误码率在信噪比到达7.4dB时下降至0。非法窃听端的误码率从信噪比为8dB时开始下降，直到信噪比增加到9dB时非法窃听端的误码率才降至为0。因此当合法双方工作在信噪比为7.4dB到8dB之间就可以保证信息传输的安全性。

实施例2：

基于信道的噪声随机性，在一种适用于卫星通信星地链路物理层安全的通信方法下改变发射功率的大小，分别以合法接收端和非法窃听端进行仿真，仿真的具体参数如下：信源处产生160组长度为k＝288的信息源，每32组长度为k＝288的短帧构成长度为K＝9216的长帧，共产生5个长帧。每个长帧在传输过程中使用一阶差分分组编码，并采用一个大小为9216×9216的列密度均为0.5的可逆伪随机矩阵进行加扰，该伪随机矩阵的逆矩阵作为解扰器中的解扰矩阵。信息编码时采用码率为

的(576，288)QC-LDPC码及RU编码算法，选用16QAM作为星座调制方式，采用基于高阶星座软解调的Log-BP译码算法进行译码，且给定合法接收端向卫星请求重传次数的门限Q＝3。

通过仿真获得了合法接收端和非法窃听端的误码率曲线，如图6所示。

图6中在信噪比到达6.9dB时合法接收端的误码率下降至0，而信噪比为8.1dB时非法窃听端的误码率从0.5开始下降，直到信噪比为9.1dB时误码率才降至为0。因此在完美扰乱、差分分组编码和自动重传机制的共同作用下，合法双方工作在信噪比为6.9dB到8.1dB之内时，可以可靠且安全的传输信息。

综合以上两个实例的仿真结果发现：

1)本发明提出的一种适用于卫星通信星地链路物理层安全的通信方法，将信道噪声的随机性转变成星地链路物理层的安全性。在完美扰乱、差分组合编码和自动重传机制的作用下，采用不同组帧长度均可以获得宽度较大的信噪比范围，当合法双方工作在该范围内就可以实现信息的安全传输。

2)当长帧长度K＝4608且短帧长度k＝288时可以获得宽度为0.6dB的信噪比范围；当长帧长度K＝9216且短帧长度k＝288时可以获得宽度为1.2dB的信噪比范围，该信噪比范围的宽度较上一种情况下的增加了0.6dB。这样的结果表明，随着组帧长度的增加，信噪比范围的宽度增加，保证系统合法双方能够安全通信的范围变大。

本发明首先在卫星地面发射机中，对待发信息进行组帧处理，对每个长帧先进行完美扰乱，再对扰乱后的数据进行差分组合编码，将差分组合编码后的数据分成若干个短帧，对每个短帧的数据进行纠错编码、星座映射和调制并发送给卫星，通过控制地面发送功率和定向天线，使得卫星可以可靠并安全的接收发送的数据。其次，卫星采取存储转发以及ARQ方式向地面某个接收区域转发数据。最后地面合法接收端通过向卫星发送重传帧号请求，卫星收到后，向地面重新传送相同帧号的信息。通过这种ARQ方式，合法用户可以实现数据的可靠接收。非法窃听端不能向卫星发送重传帧号请求，只能被动接收数据，所以接收数据的误码率将达到0.5附近，从而实现物理层的安全。该方法通过在卫星通信系统中引入完美扰乱技术、差分组合编码和自动重传请求机制，将星地之间合法信道和窃听信道噪声的随机性转化成了物理层的安全性。理论分析和仿真实验结果表明，在长帧长度为9216，短帧长度为288，重传次数的门限Q＝3时，存在宽度为1.2dB的信噪比范围，当合法用户工作在这个范围内时，可以可靠且安全的传输数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，地面发射端首先对信息X进行组帧处理，将其划分成长度为K的长帧，接着采用一个大小为K×K且列密度均为0.5的可逆伪随机矩阵对每个长帧进行加扰变换，然后对加扰变换后的信息再进行差分组合编码，对编码后的数据进行分帧处理，将其划分为长度均为k的短帧组Y(i)，其中i表示帧号；

步骤2，对短帧组Y(i)进行纠错编码、星座映射和发射处理单元，得到信息S(i)，然后通过定向天线将其发送给卫星；

步骤3，卫星一方面将接收到的信息S(i)进行解调和存储，另一方面以广播的形式将信息S(i)发送到地面接收端；当卫星接收到重传帧号请求时，将其存储的帧序列中与请求帧号相同的帧重新发送；

步骤4，合法接收端和非法窃听端分别利用各自的天线接收到信息R(i)，并分别将信息R(i)依次通过接收处理单元、高阶星座软解调和译码器，获得帧序列Y′(i)；然后，合法用户执行下面的步骤5和步骤6，非法用户执行下面的步骤7；

步骤5，合法接收者将帧序列Y′(i)送入ARQ处理模块；

步骤6，合法接收者将完成Q次重传后获得所有帧按照帧号顺序重新组帧，得到长度为K的长帧，对长帧先进行差分组合解码，再通过大小为K×K的伪随机逆矩阵进行解扰，恢复原始信息X′_B；

步骤7，非法用户在首次获得信息Y′(i)的基础上，再次接收卫星的重传帧，判断帧的错对，将自己认为对的帧按帧号顺序重新组帧、差分组合解码和解扰，得到信息X′_E。

2.根据权利要求1所述的适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，其特征在于，步骤1中对信息进行组帧和分帧处理，然后对短帧采用纠错编码，使得接收端能识别其错对；对长帧进行信息置乱、差分组合编码、解差分和解扰后，实现窃听用户的错误比特由每个短帧扩散到整个长帧，使其误码率达到0.4以上；合法用户由于采用ARQ方式重传，其每个短帧中没有错误，解差分和解扰后其误码率仍然为0。

3.根据权利要求1所述的适合于卫星通信星地链路物理层安全通信方法，其特征在于，步骤5中，所述ARQ处理模块的工作步骤如下：

5.1、基于纠错编码的校验矩阵，判断首次接收帧序列Y′(i)的错对，将对的帧送入解扰器，将错误帧的帧号发送给卫星；

5.2、对二次接收的帧序列重复5.1的步骤，依次类推，直到最后一次重传时，达到重传次数门限Q或合法接收端获得了所有对的帧，将接收的帧序列全部送入解扰器。

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