CN113644965A - 基于无人机辅助的地对低轨卫星otfs安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无人机辅助的地对低轨卫星OTFS安全传输方法，其实现方案为，一方面，通过无人机辅助发射干扰噪声，对非法卫星产生干扰，降低其接收信噪比，通过合理化设计，使人工噪声不对合法卫星正常通信产生影响，从而在物理层实现通信安全；另一方面，采用OTFS调制解调方案，将地面终端信号和无人机发射的干扰噪声在延时多普勒域进行传输，让每个信息符号在一个OTFS传输帧内经历相同的增益、延时和频移，提高了通信可靠性。本发明在物理层实现了对合法卫星信号的保护，并且消除了低轨卫星高速移动产生多普勒效应对信号传输带来的影响，提高了信息传输的安全性。

Description

基于无人机辅助的地对低轨卫星OTFS安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种地对低轨卫星的安全传输方法，具体而言，将一种正交时频空(OTFS)调制方法应用于地对低轨卫星传输，结合无人机辅助策略确保传输的安全性，可用于应对低轨卫星上行通信中存在非法窃听的安全威胁。

背景技术

低轨卫星是指轨道飞行高度在500～2000千米的卫星，低轨卫星通信系统是指在地面和低层大气中的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，其优势在于广覆盖、视距传播、长距离传播、组网灵活等，地对低轨卫星传输是指地面无线电通信终端发送数据给低轨道通信卫星的过程。目前，卫星通信主要采用正交频分复用(OFDM)多载波调制方案，通信数据流分为多个并行数据流，每个并行数据流使用一个正交载波进行通信，以克服信道多径带来的符号间干扰。然而，低轨卫星通常位于1000千米轨道高度，相对地面速度可达27000千米每小时，导致通信链路遭受严重的多普勒频移影响，例如，在卫星通信C频段，若载波频率为4G赫兹，最大多普勒频移为77k赫兹，最大多普勒变化率为392赫兹每秒。这样一来，地对低轨星无线信道具有快速时变性、且频率选择性，OFDM调制方法无法适应，将遭遇严重的载波间串扰，与此同时，信道估计成本很高，通信链路可靠性严重受限。

另一方面，卫星通信的传输安全性研究已受到学术界与工业界的广泛关注。目前卫星通信的安全手段主要依赖于应用层加密技术，然而，随着材料科学、计算算力的突飞猛进地发展，应用层加密的破解手段已逐渐成熟，仅依靠加密技术的低轨卫星通信安全性无法得到保障。近年来，物理层安全技术的开发和使用普遍起来，物理层安全技术是一种利用通信设备和信道的物理特征，建立安全接入和保密通信体制的技术，其核心思想是利用物理信道的互易性、唯一性和随机性，来实现信息加密，对合法用户和窃听者进行有效区分，其优点在于:1.设备指纹具有长期稳定性和唯一性。2.基于无线信道产生的密钥具有时变性，安全性能高。目前，物理层安全技术研究挑战在于与新型传输技术的联合，如毫米波通信、非正交接入、正交时频空等，这些技术为高速率、大连接、低延迟的无线通信服务提供了有力的支持，却无法为信息的安全传输提供保护，为此需要将这些技术与物理层安全技术进行联合研究，在保证用户服务质量的同时，提高信息传输的安全性。

发明内容

本发明的目的在于保障地对低轨卫星通信的可靠性和安全性。针对低轨卫星高速移动的特征，使用OTFS调制解调方案，在延时多普勒域(DD域)进行信息传输，让每个信息符号在传输时，经历相同的信道增益、延时和频移，在一个OTFS传输帧内信道保持不变，确保信息传输的可靠性。另一方面，使用无人机协助发射干扰噪声，根据无人机-合法接收卫星的信道信息，设置干扰噪声与之正交，从而不对合法接收端产生干扰，限制窃听者的接收信噪比，以获得传输安全性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)地面终端进行OTFS调制并信号发送：

地面终端对DD域信号X^DD进行ISFFT变换，得到时频域信号X^TF，执行Heisenberg变换，给出时域信号X^T，通过多天线技术将时域信号发送至合法卫星；

(2)无人机协作发送干扰噪声：

无人机端计算干扰噪声波束成形系数g_q，计算DD域干扰噪声矩阵

与合法链路正交，进行OTFS信号调制，发送时域干扰信号；

(3)合法卫星接收时域信号：

合法卫星端接收到地面端发送的时域信号与无人机干扰噪声信号之和；

(4)合法卫星解调接收信号：

合法卫星对时域接收信号矩阵R^T进行魏格纳Wigner变换，再进行辛傅里叶变换SFFT，得到DD接收信号矩阵R^DD；

(5)合法卫星对解码信号进行线性均衡：

(5a)合法卫星基于信道矩阵计算线性均衡矩阵L^xd；

(5b)合法卫星通过L^xd对r^DD进行线性均衡，得到无码间干扰的DD域接收信号向量

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明通过无人机协助发射干扰噪声，在物理层实现了对于非法卫星的干扰，并且通过合理设置，使无人机发射的噪声不对合法卫星产生干扰，由于干扰噪声是根据无人机到合法卫星的快速时变信道所产生的，干扰噪声具有快速时变性，非法卫星很难消除这一干扰噪声，系统安全中断概率降低，并且安全性能随着无人机干扰噪声发射P_w的增加进一步提升，信息传输的安全性得到保障。

2.本发明通过将OTFS调制解调方案应用于地对低轨卫星传输，相比采用OFDM方案，简化了时变信道估计过程，并且所有信息符号在一个传输帧内经历平均时不变信道，提高了信息传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明不同干扰噪声发射功率下系统安全中断概率图。

图3是本发明与OFDM方案系统安全中断概率比较图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：

地对低轨卫星传输场景及主要假设可描述为：地面移动终端发送信号给合法接收低轨卫星，在合法卫星邻近轨道上，有非法卫星被动地窃听发送信号，空中部署无人机对非法窃听端实施干扰。地面移动终端配备J根发射天线A＝{a₁,a₂,...,a_j,...,a_J}，每根发射天线a_j需要传输的延时多普勒域(DD域)信号矩阵均为X^DD；无人机上搭载有Q根天线B＝{b₁,b₂,...,b_q,...,b_Q}，无人机产生的DD域伪随机复高斯噪声矩阵为

合法卫星和非法卫星均使用1根接收天线；其中，其中，J≥2，a_j表示第j根移动终端天线，j∈{1,2,...,J}，X^DD∈C^N×M,C^N×M表示以时隙数N为行以载波数M为列的复数矩阵，N≥1，M≥1，Q＞NM，b_q表示第q根无人机天线，q∈{1,2,...,Q}，

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)地面终端进行OTFS调制并发送信号：

地面终端对DD域信号矩阵X^DD进行逆辛傅里叶ISFFT变换，得到时频域信号矩阵X^TF，并对X^TF执行海森堡Heisenberg变换，得到时域信号矩阵X^T，再通过多天线技术将X^T发送至合法卫星，其中，X^TF∈C^N×M，X^T∈C^N×M，变换公式分别为：

其中，

表示发送信号功率，F_M、F_N分别表示M、N点傅里叶变换矩阵，F_M∈C^M×M，F_N∈C^N×N，(·)^H表示厄米特变换，G_tx表示发射脉冲矩阵，G_tx∈C^M×M；

步骤2)无人机协作发射干扰噪声：

无人机端计算每根天线b_q对应的干扰噪声波束成形系数g_q，并通过g_q和

计算DD域干扰噪声矩阵

使之与无人机天线b_q到合法卫星的信道正交；对

进行OTFS调制，得到时域干扰噪声矩阵

再通过天线b_q将

发送至合法卫星及非法卫星，其中，

g_q和

的计算公式分别为：

其中，

表示干扰噪声发射功率，

表示每根发射机天线b_q到合法接收卫星的信道矩阵，

0^MN×MN表示MN行MN列的零矩阵；

步骤3)合法卫星接收时域信号：

合法卫星接收到地面终端发送的时域信号与无人机干扰噪声信号之和：

其中，r^T表示时域接收信号向量，r^T∈C^NM×1，

表示地面终端天线a_j到合法卫星的信道矩阵，

x^T分别表示

X^T并串转换后的向量，

x^T∈C^{NM ×1}，z^T,xd、z^T,ud分别表示地面终端、无人机到合法卫星的信道加性噪声向量，z^T,ud∈C^NM×1，z^T,xd∈C^NM×1；

步骤4)合法卫星解调接收信号：

合法卫星对r^T进行串并转换，得到时域接收信号矩阵R^T,对R^T进行魏格纳Wigner变换，再进行辛傅里叶SFFT变换，得到DD域接收信号矩阵R^DD，其中，R^T∈C^N×M，R^DD∈C^N×M，变换公式分别为：

R^TF＝F_MG_rxR^T (6)

其中，G_rx表示接收脉冲矩阵，G_rx∈C^M×M；

步骤5)合法卫星对解码信号进行线性均衡：

接收信号在解调回DD域后，因为信道延时和多普勒频移双向拓展，导致不同DD域信号之间在延时和多普勒两个方向上相互交叠，即产生了码间干扰，使用线性均衡来消除这种码间干扰；

(5a)合法卫星基于信道矩阵

计算线性均衡矩阵L^xd：

其中，L^xd∈C^NM×NM，

表示克罗内克积，Diag^xd是矩阵

的对角化矩阵，⊙表示哈达玛积，(Diag^xd)^-1表示Diag^xd的逆矩阵，

表示Diag^xd第(kM+l+1)个对角线元素，

表示矩阵

第(nM+m+1)行第1列的元素；

(5b)合法卫星对R^DD进行并串转换，得到DD域接收信号向量r^DD，再通过L^xd对r^DD进行线性均衡，得到无码间干扰的DD域接收信号向量

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真条件和内容：

使用MATLAB仿真软件，考虑子信道带宽为20kHz，合法卫星最大相对地面移动速度为620km/h,载波频率为在Ka频带的35GHz，设置OTFS时隙数N＝8，载波数M＝8。

仿真1，对本发明不同无人机干扰噪声发射功率下的系统安全中断概率进行了对比仿真，其结果如图2所示。

仿真2，对两种低轨卫星信道条件下，地对低轨卫星通信分别使用本发明OTFS方案和传统OFDM方案时的安全中断概率进行了对比仿真，其结果如图3所示。

2.仿真结果分析：

参照图2，无人机不发射干扰噪声时，总是会发生安全中断，低轨卫星信息传输的安全性受到威胁，随着无人机干扰噪声功率的增加，安全中断概率急剧下降，即通过无人机辅助，提高了地对低轨卫星通信的安全性。

参照图3，在平均阴影和轻度阴影信道条件下，随着传输信噪比的增加，OTFS方案所达到的安全中断概率均快速减小，在安全中断概率小于0.5时，OTFS所达到的安全中断概率比OFDM降低50％以上。因此，OTFS方案应用在地对低轨卫星通信场景，拥有比传统OFDM方案更好的可靠性和安全性能。

Claims (1)

1.一种基于无人机辅助的地对低轨卫星OTFS安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)地面终端进行OTFS调制并信号发送：

地面终端对DD域信号X^DD进行ISFFT变换，得到时频域信号X^TF，执行Heisenberg变换，给出时域信号X^T，通过多天线技术将时域信号发送至合法卫星；

(2)无人机协作发送干扰噪声：

无人机端计算干扰噪声波束成形系数g_q，计算DD域干扰噪声矩阵

与合法链路正交，进行OTFS信号调制，发送时域干扰信号；

(3)合法卫星接收时域信号：

合法卫星端接收到地面端发送的时域信号与无人机干扰噪声信号之和；

(4)合法卫星解调接收信号：

合法卫星对时域接收信号矩阵R^T进行魏格纳Wigner变换，再进行辛傅里叶变换SFFT，得到DD接收信号矩阵R^DD；

(5)合法卫星对解码信号进行线性均衡：

(5a)合法卫星基于信道矩阵计算线性均衡矩阵L^xd；

(5b)合法卫星通过L^xd对r^DD进行线性均衡，得到无码间干扰的DD域接收信号向量

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