CN113114341B - 高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，所述方法被配置于所述信关站，包括以下步骤：利用波束成形方法确定波束成形权矢量；根据确定的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星。本发明将全部或部分波束成形任务由星上转移到地面信关站来完成。地基波束成形技术通过地面信关站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖。由于信关站设备能够承受的运算复杂度、硬件复杂度、功耗等要比卫星大得多，故可整体降低通信系统造价和实现难度、显著提高灵活性。

Description

高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全领域，具体涉及高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置。

背景技术

随着数据高速率传输的需求及宽带信息广播服务，高吞吐量要求等多样化业务需求的与日俱增，高通量卫星因其具有多点波束、可用频带宽、频率复用、单点波束增益高、通信容量高于传统通信卫星十倍到百倍等优势，已广泛应用于广播、救援、军事等多种场景。然而，由于高通量卫星通信的广域覆盖特性和广播特性使得其传输的信号极易被非法用户窃听，导致高通量卫星通信的安全问题日益凸显。高通量卫星通信系统的安全传输主要依赖传输上层的加密技术得以实现，但是随着计算机技术的发展，尤其是量子计算技术的出现，基于计算复杂度的传统加密技术面临着严峻的挑战。在这种情况下，波束成形技术作为实现无线通信物理层安全的一种有效手段，它既可以增强合法用户接收的信号强度，又能够有效降低被窃听者接收的信号强度，近年来被广泛应用于提升高通量卫星通信系统的安全性。

传统的波束成形是在卫星上实现的，由于星上处理能力、发射功率和造价等有限，完全在卫星上进行信号处理卫星将会不堪重负。与此同时，考虑在高通量卫星中，每个馈源配置专用的射频链路和功率放大器，因此研究单馈源发射功率约束下的安全问题更为实际。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统的高通量卫星通信系统结构复杂、实现难度大的技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案。

提供高通量卫星通信系统中信息安全传输方法，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，所述方法被配置于所述信关站，包括以下步骤：

利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

根据确定的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星。

进一步地，利用波束成形方法确定波束成形权矢量包括：

获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量。

再进一步地，所述统计信道状态信息具体包括卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵以及卫星与各个窃听者信道的协方差矩阵，表示如下：

其中R_s为卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星与第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量。

进一步地，所述目标函数表示如下：

其中R_s表示系统的安全速率，[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源发射功率最大值，w表示波束成形权矢量。

再进一步地，求解所述目标函数包括：

令W＝ww^H，并忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将目标函数的非凸问题转为凸优化问题表示为：

W≥0

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵，W≥0表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率。

再进一步地，求解凸优化问题的方法包括：运用黄金分割法对辅助变量t进行一维搜索求解最优解W，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。

第二方面，本发明提供高通量卫星通信系统中信息安全传输装置，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，所述装置被配置于所述信关站，包括波束成形权矢量确定模块和所述信号安全发送模块；

所述波束成形权矢量确定模块，用于利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

所述信号安全发送模块，用于根据求得的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星。

进一步地，所述波束成形权矢量确定模块包括统计信道状态信息获取模块和波束成形权矢量获取模块；

所述统计信道状态信息获取模块，用于获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

所述波束成形权矢量获取模块，用于基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量。本发明所取得的有益技术效果：

本发明将全部或部分波束成形任务由星上转移到地面信关站来完成。地基波束成形技术通过地面信关站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖。在地基波束成形架构中，卫星可采用透明转发器，全部波束成形处理均在地面信关站完成，由于信关站设备能够承受的运算复杂度、硬件复杂度、功耗等要比卫星大得多，故可整体降低通信系统造价和实现难度、显著提高灵活性。

基于瞬时信道状态信息的波束成形方法，由于需要采集全部信道的瞬时状态信息，但是实际过程中采集的信道状态信息存在估计误差和反馈时延等情况，导致系统安全性不足；相比现有方法，本发明中采用的波束成形方法利用的统计信道状态信息在实际中更容易获取，系统的安全系数得到提升；

本方法通过对高通量卫星单个馈源发射功率进行约束实现系统安全速率的最大化，实现了高通量卫星通信的安全传输，为提升基于多波束技术的高通量卫星通信系统的安全性能提供了一种很好的技术方案。

附图说明

图1是本发明实施例的系统模型图；

图2是本发明的具体实施方式的流程图；

图3是本发明实施例中系统安全速率与馈源阵列单元数量关系直方图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明。

高通量卫星通信系统中的安全波束成形方法，该方法适用于一种卫星通信系统，如图1所示，该卫星通信系统包括一个工作在Ka频段的地球同步轨道(GEO)高通量卫星、一个信关站、一个合法用户和K个窃听者。其中，高通量卫星采用多馈源单反射面形式的天线，配置有N个馈源产生N个波束，合法用户和窃听者均使用高增益的抛物面天线。信关站利用卫星与合法用户、窃听者之间的统计信道状态信息进行波束成形设计，包括以下步骤：

利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

根据确定的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星。具体包括：信关站获取到合法用户的数据信号s(t)后，先根据求得的波束成形权矢量w在信关站处采用波束成形技术对其进行处理；然后通过光电混合馈电链路将处理后的信号ws(t)发送给高通量卫星，实现私密信号的安全传输。

具体实施例中可采用现有波束成形方法确定波束成形权矢量，如现有的基于瞬时信道状态信息的波束成形方法，具体实现步骤本发明中不赘述。本实施例将全部或部分波束成形任务由星上转移到地面信关站来完成。地基波束成形技术通过地面信关站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖。在地基波束成形架构中，卫星可采用透明转发器，全部波束成形处理均在地面信关站完成，由于信关站设备能够承受的运算复杂度、硬件复杂度、功耗等要比卫星大得多，故可整体降低通信系统造价和实现难度、显著提高灵活性。

实施例2：在实施例1的基础上，本实施例为了提高系统的安全性能，利用波束成形方法确定波束成形权矢量具体包括以下步骤：

步骤1：信关站通过信道估计技术获取卫星和各种用户的地理位置信息等先验信息，得到卫星至合法用户、窃听者信道的统计信道状态信息；

步骤2：利用步骤1中获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，计算出波束成形权矢量w。

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

一、统计信道状态信息的获取

信关站通过信道估计技术获取卫星与合法用户、第i窃听者信道的统计信道状态信息：

其中R_s为卫星-合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星-第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置。

二、波束成形权矢量的计算

合法用户和第i个窃听者接收到来自高通量卫星经过波束成形后的卫星信号分别为：

y_i(t)＝h_i ^Hws(t)+n_i(t),i∈{1,...,K} (4)

其中n_s,n_i分别是合法用户和窃听者接收设备产生的加性高斯白噪声。

由上述公式可以得到合法用户和第i个窃听者的输出信噪比分别为：

其中σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率。

在该系统中，K个窃听者试图合作窃取私密信息。因此，系统的安全速率表示为：

在高通量卫星单个馈源发送功率受限条件下，以系统的安全速率最大化为目标函数对波束成形权矢量w进行优化设计：

其中[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源发射功率最大值。

令W＝ww^H并将式(7)代入到优化问题(8)中，基于log₂(·)是单调递增函数将问题(8)转换为：

其中W≥0表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹。由于上述问题的最后一个约束条件是非凸形式的，无法进行直接求解。因此我们采用半定松弛法即忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将非凸问题转为凸优化问题表示为：

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵。

运用基于黄金分割法的迭代算法求解问题(10)的最优解W，该最优解W总是满足秩为1的约束条件，因此问题(9)与问题(10)等价。最后，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。具体算法如下：

a)输入精度ε，初始搜索区间a＝0,b＝f(P_max)；

b)计算t₁＝a+0.382(b-a)，t₂＝a+0.618(b-a)；

c)将t₁和t₂代入问题(10)中利用CVX凸优化工具包求解f(t₁)和f(t₂)；

d)比较f(t₁)和f(t₂)的大小，如果f(t₁)＜f(t₂)，令a＝t₁，t₁＝t₂，f(t₁)＝f(t₂)，t₂＝a+0.618(b-a)，将t₂代入问题(10)中利用CVX凸优化工具包求解f(t₂)；否则，令b＝t₂，t₂＝t₁，f(t₂)＝f(t₁)，t₁＝a+0.382(b-a)，将t₁代入问题(10)中利用CVX凸优化工具包求解f(t₁)；

e)如果(b-a)＜ε，停止迭代，执行下一步；否则，返回步骤d，继续迭代；

f)令t^*＝(a+b)/2，将t^*代入问题(10)中利用CVX凸优化工具包得到W^*；

g)对W^*通过特征值分解获得波束成形权矢量w_opt。

其中

本发明通过对高通量卫星单个馈源发射功率进行约束实现系统安全速率的最大化，实现了高通量卫星通信的安全传输，为提升基于多波束技术的高通量卫星通信系统的安全性能提供了一种很好的技术方案。

实施例3：本实施例提供高通量卫星通信系统中信息安全传输装置，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，所述装置被配置于所述信关站，包括波束成形权矢量确定模块和所述信号安全发送模块；

所述波束成形权矢量确定模块，用于利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

所述信号安全发送模块，用于根据求得的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星。

实施例4：在实施例3的基础上，本实施例中所述波束成形权矢量确定模块包括统计信道状态信息获取模块和波束成形权矢量获取模块；

所述统计信道状态信息获取模块，用于获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

所述波束成形权矢量获取模块，用于基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.高通量卫星通信系统中信息安全传输方法，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，其特征在于，所述方法被配置于所述信关站，包括以下步骤：

利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

根据确定的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星；

利用波束成形方法确定波束成形权矢量包括：

获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量；

所述统计信道状态信息具体包括卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵以及卫星与各个窃听者信道的协方差矩阵，表示如下：

其中R_s为卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星与第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

所述目标函数表示如下：

其中R_s表示系统的安全速率，[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源的发射功率最大值，w表示波束成形权矢量；

求解所述目标函数包括：

令W＝ww^H，并忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将目标函数的非凸问题转为凸优化问题表示为：

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵，

表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

求解凸优化问题的方法包括：运用黄金分割法对辅助变量t进行一维搜索求解最优解W，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。

2.高通量卫星通信系统中信息安全传输装置，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，其特征在于所述装置被配置于所述信关站，包括波束成形权矢量确定模块和信号安全发送模块；

所述波束成形权矢量确定模块，用于利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

所述信号安全发送模块，用于根据求得的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星；

所述波束成形权矢量确定模块包括统计信道状态信息获取模块和波束成形权矢量获取模块；

所述统计信道状态信息获取模块，用于获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

所述波束成形权矢量获取模块，用于基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量；

所述统计信道状态信息具体包括卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵以及卫星与各个窃听者信道的协方差矩阵，表示如下：

其中R_s为卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星与第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

所述目标函数表示如下：

其中R_s表示系统的安全速率，[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源的发射功率最大值，w表示波束成形权矢量；

求解所述目标函数包括：

令W＝ww^H，并忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将目标函数的非凸问题转为凸优化问题表示为：

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵，

表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

求解凸优化问题的方法包括：运用黄金分割法对辅助变量t进行一维搜索求解最优解W，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。

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