CN114142909B - 一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法。本方法为：卫星与地面站的雷达通信时，在下行链路的通信时间T_r内进行窃听者检测，在上行链路的通信时间T_c内，地面站的通信发射端根据检测结果与卫星进行通信；其中，如果未检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化到卫星的数据传输速率；如果检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化上行链路保密速率。本发明提出的无线网络信息安全增强方法可利用雷达通信双功能系统中的雷达目标检测结果适应性地调整基站侧发送信号的特性，提高信息传输过程中的保密速率。

Description

一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法

技术领域

本发明属于雷达通信一体化技术领域，具体涉及一种无源雷达辅助安全卫星通信的方法。

背景技术

雷达通信一体化技术可以缓解雷达和通信系统工作频段出现拥塞和交叉的问题。雷达通信一体化系统通过时分复用、波束赋形、无源雷达等技术实现雷达和通信共享频段，利用同一平台实现雷达目标检测和通信两个功能，在下一代无线通信网络中具有广阔的前景。

另一方面，在卫星通信系统中，无线信道固有的开放性使得环境中存在的窃听者能够非法获取发送给合法用户的保密信息，导致机密信息在物理层通信链路被截获。与采用基于密码学加密方法的传统安全通信技术相比，物理层安全依据香农信息论利用无线通信物理层链路实现信息安全，可以一定程度解决密钥管理和抵御暴力破解问题。

目前已有的物理层安全方案常假设窃听者的位置已知，此假设在实际应用中不合理。因此在实际的卫星与地面通信场景中，使用物理层安全方案的前提是获取窃听者的位置。

发明内容

为了解决上述物理层安全方案中窃听者位置未知问题，本发明提供了一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法。本发明是一种面向卫星通信中基于雷达通信一体化地面站设备的物理层安全增强时分方案。此方案考虑卫星与地面站通信并在空中存在无人机等窃听的场景，是一种通过雷达通信一体化设备进行基于下行链路信号无源雷达检测并据此结果对地面站上行链路波束赋形和人工噪声进行优化设计以最大化通信保密速率、实现信息安全的物理层安全方法。具体步骤如下(见附图1)：

步骤一：卫星与地面站的雷达通信功能的时域划分。将卫星地面通信时间T进行分割，每个阶段占用预先设定的时隙数。前T_r秒为下行链路通信时间，同时进行无源雷达对窃听者的检测，后T_c秒为上行链路通信时间，地面站的通信发射端根据雷达检测结果来进行通信，满足T＝T_r+T_c。

步骤二：使用卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号，对监视区域的空中窃听者进行目标检测。雷达通信一体化地面站设备将卫星的下行链路通信信号作为辐射源并接受监视区域的回波，进行相应的信号处理和判决。此步骤的目标检测问题可建模为二元假设检验问题。

步骤三：针对步骤二对窃听者检测的结果，地面站的通信发送端对发射波束赋形和人工噪声协方差矩阵进行设计，最大化星地上行链路保密速率。即：如果无源雷达没有检测到窃听者，发射端只需最大化到卫星的数据传输速率；如果无源雷达检测到窃听者的存在，发射端需要优化到卫星的保密速率。

进一步的，步骤二具体为：

地面站接收端配备两个并置的天线模块，一个对准发射端卫星，接收信号作为参考信道接收发射信号；一个对准可能存在窃听威胁的监视区域，作为监视信道接收目标的回波信号。当检测目标不存在时，监视信道仅接收到噪声；当存在检测目标时，监视信道接收到目标回波和噪声。因此目标检测问题可以建模为以下二元假设检验问题。

零假设为

备择假设为

其中：y_d＝[y_d1,y_d2,...,y_dL]^T,s_r＝[s_r1,s_r2,...,s_rL]^T,n_d＝[n_d1,n_d2,...,n_dL]^T,都是L×1向量，分别表示采样后的参考信号(参考信道接收到的信号)、发射信号(下行链路通信信号)和参考信道的噪声，y_s和n_s也具有相同结构，分别表示采样后的监视信号(监视信道接收到的信号，即经过窃听者反射过来的回波信号)和监视信道的噪声。是用于雷达探测的样本总数，其中T_s是发送信号周期，[.]为取整函数。P_T为发射功率，h_d为参考信道的信道系数，h_s为监视信道的信道系数。

进一步的，步骤三具体为

步骤3.1：步骤2反馈结果为零假设成立，即没有检测到窃听者，地面站发送端按照无窃听的情况采用最大化卫星处速率的波束赋形策略。

步骤3.2：步骤2反馈结果为备择假设成立，即检测到空中窃听者，通信发射端采用物理层安全通信的波束赋形和人工噪声策略，最大化卫星的保密速率，即合法用户处信息速率与窃听处信息速率/>的差值最大化，其中T_c为上行链路通信时间，H_I、H_E为分别为用户链路和窃听链路的信道增益， 分别为用户链路和窃听链路的信道增益的共轭转置，W为波束赋形矩阵，W^H为波束赋形矩阵的共轭转置矩阵，∑为人工噪声协方差矩阵，/>分别为合法用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声的方差。

本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提出的无线网络信息安全增强方法可利用雷达通信双功能系统中的雷达目标检测结果适应性地调整基站侧发送信号的特性，提高信息传输过程中的保密速率。

附图说明

图1为卫星通信系统中面向雷达通信一体化系统的物理层安全增强时分方案流程图。

图2为目标检测与通信流程图；

(a)阶段一检测图，(b)阶段二通信图全示意图。

图3为本发明具体实施流程图。

具体实施方式

为将本方案描述地更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述。

图2为本方案的具体使用场景。无源雷达用于检测雷达通信一体化地面站设备监视区域的空中窃听者。总传输时间为T秒，功率为P_T，雷达和通信的持续时间分别为T_r和T_c，且满足T＝T_r+T_c。在总传输时间内，前T_r秒先进行无源雷达对窃听者的检测，后T_c秒根据雷达检测结果调整波束赋形矩阵和人工噪声协方差矩阵，以最大保密速率传输信息。

图3为本发明具体实施流程图。假设窃听者确实存在的概率为P₁，不存在的概率为P₀＝1-P₁。

在图3步骤2的无源雷达目标检测中可采用广义最大似然比检测器进行目标检测，其中σ²是高斯白噪声n_d和n_s的方差。基于上文的二元假设检验模型，广义最大似然比检测器为：其中λ是检测阈值，大于阈值对应备择假设，小于阈值对应零假设。经计算虚警概率P_FA和检测概率P_D只与/>有关，即只与时间分配系数/>有关，可由以下式子计算得出：P_FA(G)＝P{A>σ²λ|H₀},P_D(G)＝P{A>σ²λ|H₁}。T_r越大虚警概率越小，检测概率越大，根据对窃听者的检测结果调整物理层安全设计后单位时间内的保密速率会变大；但是T_r越大T_c就越小，上行通信时间内的总保密速率就变小。P代表概率，为了实现最优的保密速率，应找到T_r和T_c之间的平衡。

步骤3为雷达辅助通信的第二阶段，系统的通信模块根据雷达检测结果适应性调整物理层安全的设计，最大化合法用户的保密速率。具体策略如下，为了将本方案描述地更清楚，以地面站在覆盖区内与单个卫星通信，同时存在一个单天线空中窃听者为例，称卫星为合法用户：

基站侧发射信号：x＝Ws+v，其中W∈C^K×d、s∈C^d×1、v∈C^K×1分别为波束赋形矩阵、发送给合法用户的信息和人工噪声，且s～CN(0,I),v～CN(0,∑)，∑是待设计的人工噪声协方差矩阵。K为发送端天线数，d为数据流数。

(1)如果存在窃听者，接收端接收到的信号：

合法用户接收到的信号y_I＝H_Ix+n_I＝H_IWs+H_Iv+n_I

窃听者接收到的信号y_E＝H_Ex+n_E＝H_EWs+H_Ev+n_E

其中H_I∈C^1×N，H_E∈C^1×N为合法用户和窃听者的信道系数向量，n_I～CN(0,σ_I ²),n_E～CN(0,σ_E ²)为合法用户和窃听者接收端的加性高斯白噪声。

合法用户处数据传输速率：

窃听者处数据传输速率：

保密速率：SR＝R_I-R_E

信息安全问题建模为问题P1:

s.t.Tr(WW^H+∑)≤P_T

如果是多用户的情况，此优化问题建模为一个非凸分数规划问题，采用Dinkelbach法可求解。

(2)如果不存在窃听者，接受端收到的信号：

合法用户接收到的信号y_I＝H_Ix+n_I＝H_IWs+H_Iv+n_I

合法用户数据传输速率：

信息安全问题建模为问题P2：

s.t.Tr(WW^H+∑)≤P_T

此模型是对一个凸问题的求解，可采用内点法求解。

结合以上内容可知，系统一共有四种情况：

(1)如果窃听者存在，且雷达检测到窃听者，则由上文中物理层安全通信设计问题(P1)求解后可得此时最大的保密速率SR₁₁和此时对应的W₁₁和∑₁₁。

(2)如果窃听者不存在但雷达检测到窃听者(虚警)，此时保密速率SR₀₁＝T_c log₂(1+此情况中窃听者不存在，本不需要设置人工噪声来提高保密速率，因此人工噪声的设置浪费了发送功率，降低了实际通信速率。

(3)如果窃听者不存在且雷达没有检测到窃听者，由P2求解后可得此时最大保密速率，此时最大保密速率为对应的Σ₀₀＝0，/>其中P_max为发射端的最大发射功率。

(4)如果窃听者存在但雷达没有检测到窃听者，则由上文中P2的结果对应的W₀₀和∑₀₀来设置人工噪声和波束赋形矩阵，则此时的保密速率为

综上所述，系统进行信息传输的总保密速率为：

SR＝P₁(P_D×SR₁₁+(1-P_D)×SR₁₀)+P₀(P_FA×SR₀₁+(1-P_FA)×SR₀₀)。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种无源雷达辅助物理层安全卫星通信方法，其步骤包括：

卫星与地面站的雷达通信时，在下行链路的通信时间T_r内进行窃听者检测，在上行链路的通信时间T_c内，地面站的通信发射端根据检测结果与卫星进行通信；其中使用卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号和地面站的无源雷达进行窃听者检测；进行窃听者检测的方法为：所述地面站将卫星对地面覆盖区的下行链路通信信号作为辐射源，所述地面站的无源雷达接收监视区域的回波，根据下行链路通信信号、回波信号进行窃听者检测；如果所述回波信号为噪声，则判定所述监视区域不存在窃听者，否则判定所述监视区域存在窃听者；

其中，如果未检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化到卫星的数据传输速率；如果检测到窃听者，则地面站通信发射端最大化上行链路保密速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地面站的接收端配备两个并置的天线模块，第一天线模块用于接收卫星的发射信号；第二天线模块用于对准设定的监视区域，接收所述监视区域的回波信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据下行链路通信信号、回波信号进行二元假设建模，将窃听者检测建模为二元假设检验模型并求解，完成窃听者检测；其中，将第一天线模块的信号通道作为参考信道，第二天线模块的信号通道作为监视信道，所述二元假设检验模型中，零假设为备择假设为/>y_d、s_r、n_d分别表示采样后的参考信道接收信号、下行链路通信信号和参考信道的信道噪声，y_s、n_s分别表示采样后的监视信道接收信号和监视信道的信道噪声，P_T为发射功率，h_d为参考信道的信道系数，h_s为监视信道的信道系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，地面站通信发射端通过对发射波束赋形和人工噪声协方差矩阵进行设计，最大化上行链路保密速率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，最大化上行链路保密速率即将卫星的信息速率R_I与窃听者的信息速率R_E的差值最大化；其中， H_I为地面站与卫星通信链路的信道增益，H_E为地面站与窃听者通信链路的信道增益，/>为H_I的共轭转置，/>为H_E的共轭转置，W为波束赋形矩阵，W^H为波束赋形矩阵W的共轭转置矩阵，Σ为人工噪声协方差矩阵，/>为卫星接收端的加性高斯白噪声的方差，/>为窃听者接收端的加性高斯白噪声的方差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果未检测到窃听者，则上行链路保密速率为对应的人工噪声协方差矩阵Σ₀₀＝0，对应的波束赋形矩阵为W₀₀，且/>其中P_max为地面站发射端的最大发射功率；其中H_I为地面站与卫星通信链路的信道增益，/>为H_I的共轭转置，/>为卫星接收端的加性高斯白噪声的方差。