CN114337738A - 一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 - Google Patents
一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114337738A CN114337738A CN202210026093.XA CN202210026093A CN114337738A CN 114337738 A CN114337738 A CN 114337738A CN 202210026093 A CN202210026093 A CN 202210026093A CN 114337738 A CN114337738 A CN 114337738A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- channel
- eavesdropper
- user
- orbit satellite
- low
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 238000005562 fading Methods 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 241000764238 Isis Species 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Radio Relay Systems (AREA)
Abstract
本发明提出了一种适用于低轨卫星安全通信的鲁棒预编码方法。由于低轨卫星的高速移动性,发射端无法获得准确的信道状态信息。为此,本发明建立了合法用户和窃听者的信道不确定性模型,并提出了相应的鲁棒安全传输设计。由于得到的优化问题是非凸的且数学上难以处理,该方法制定了实用的算法,通过速率近似和半正定松弛对初始问题进行松弛优化,接着采用序贯优化、S‑Procedure以及一阶泰勒展开将原问题转化为一系列凸优化子问题,通过迭代计算得到预编码矢量。与考虑理想信道状态信息的传统方法相比,本发明所提出的低轨卫星鲁棒预编码方法,能够有效提高低轨卫星系统的安全性和鲁棒性,具有更好的传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信系统预编码方法,尤其涉及了一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法。
背景技术
随着现代航天和通信技术的发展,卫星通信由于其能够克服长距离和恶劣地形、覆盖范围广、数据速率高的特点,在导航、广播、救援、救灾等领域得到了广泛的应用。特别的,与高轨卫星相比,低轨卫星具有相对较少的延迟,较小的路径损耗以及较低的生产和发射成本,得到了更为广泛的关注。
然而,由于卫星通信的广播性质,卫星系统的安全问题已经成为了无线通信研究的关键问题之一。传统的安全通信是基于窃听者计算能力有限的假设,在协议栈上层采用加密的方式来保证通信的安全。但由于处理速度的增加,这种假设往往是无效的。利用无线信道的随机性和信号处理技术,可以在物理层实现不使用密码学的安全通信,近年来引起了广泛的研究兴趣。因此我们将重点研究低轨卫星的物理层安全传输问题。
在已有研究中,在传输端通常假定用户和窃听者的信道状态信息是完全已知的,实际上,由于长传播时延、上行信道与下行信道的互错、估计失配、反馈量化误差等原因,且卫星也处于高速移动的状态,这一假设在实际应用中并不成立。因此,考虑用户与窃听者均采用非理想信道状态信息的鲁棒预编码设计对低轨卫星通信系统安全传输问题具有重要意义。
发明内容
发明目的:本发明目的在于提出一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法,可以有效提高低轨卫星通信的安全性与鲁棒性,同时大大提升系统的传输性能。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法,将问题建模为总功率约束下所有用户的和安全速率最大化问题,其中发送端收到用户与窃听者非理想的信道状态信息。由于原问题是非凸的,较难求解,通过速率近似、序贯优化法、S-Procedure和一阶泰勒展开的方法,将初始问题转换为一系列可迭代求解的凸优化子问题,最后基于解的秩采用特征值分解得到最优预编码矢量或者高斯随机化方法得到次优预编码矢量。具体包括如下步骤:
步骤1,考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性,同时,考虑窃听者准确位置难以获取,引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性;
步骤2,考虑系统总功率的约束条件,将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题。
进一步的,步骤1,考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性,同时,考虑窃听者准确位置难以获取,引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性;具体为:
低轨卫星、用户端和窃听者端配置均匀天线阵列(UPA,Uniform Planar Array),对于合法用户m,由于低轨卫星高速移动导致角度误差,卫星端收到的合法用户m的实际信道响应为其中,gm为信道增益, 为第m个用户的实际UPA响应向量,和分别为第m个用户在x轴和y轴上的角度估计,和为相应的角度估计误差;
对于窃听者,假设只知道其信道不确定区域,信关站收到并进行预编码时实际信道响应为:其中,为窃听者的实际信道矢量,为窃听者的估计信道矢量,为相应的信道估计误差,de为信道增益,ve和分为窃听者的UPA响应向量及其相应的不确定区域,即||△ve||≤ε,ε为不确定区域的最大边界值;
步骤2,考虑系统总功率的约束条件,将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题;
原始的鲁棒预编码优化设计问题为表示如下:
进一步的,步骤2中,当bm=0时Rwc=0,和安全速率不可能为负值,因此在不失一般性的情况下省略[]+,即问题转换为:
进一步的,利用序贯优化方法、一阶泰勒展开以及S-Procedure转换后的问题可以表示为:
有益效果:本发明提供的低轨卫星鲁棒预编码方法通过建立总功率约束下的和安全速率最大化问题,极大的提高了系统的安全性能。同时本发明考虑了用户与窃听者均为非理想信道状态信息的情况,与采用理想信道状态信息的传统方法相比,可以有效提高低轨卫星通信系统的鲁棒性和传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为低轨卫星移动通信系统下行信道示意图。
图2为本发明的方法总体流程图。
图3为本发明实施例的详细方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出的一种适用于低轨卫星安全通信的鲁棒预编码方法,能够有效降低信道状态信息不确定性带来的负面影响,与传统方法相比,能够有效提高系统的安全性和鲁棒性,显著提升系统的传输性能。图1为系统配置示意图,系统采用全频率复用,每个时隙内只服务于一个用户组,个波束同时服务M个用户,每个用户配备单天线。设同一时隙内服务的用户组集合为设有一个窃听者窃听合法用户的传输信息,窃听者配备单天线。如图2所示,该方法首先考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性,同时,考虑窃听者准确位置难以获取,引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性。其次,考虑系统总功率的约束条件,将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题;通过速率近似和半正定松弛对初始问题进行松弛优化,接着采用序贯优化、S-Procedure以及一阶泰勒展开将原问题转化为一系列凸优化子问题,通过迭代计算得到预编码矢量。详细步骤如图2、3所示,具体如下:
(1)对于合法用户m,由于低轨卫星高速移动导致角度误差,卫星端收到的合法用户m的实际信道响应为其中,gm为信道增益, 为第m个用户的实际UPA响应向量,和分别为第m个用户在x轴和y轴上的角度估计,和为相应的角度估计误差。
对于窃听者,假设只知道其信道不确定区域,信关站收到并进行预编码时实际信道响应为:其中,为窃听者的实际信道矢量,为窃听者的估计信道矢量,为相应的信道估计误差,de为信道增益,ve和分为窃听者的UPA响应向量及其相应的不确定区域,即||△ve||≤ε,ε为不确定区域的最大边界值,H为共轭转置。信道增益gm和de遵循Rician衰落分布,并且满足 为求数学期望。
其中,为第m个用户的用户速率,为第m个用户的信噪比,为窃听用户m的窃听者速率,bm为用户m的预编码矢量,bn为用户n的预编码矢量,表示第m个用户的发射功率,P表示总发射功率门限值,N0为噪声方差;当bm=0时Rwc=0,和安全速率不可能为负值,因此在不失一般性的情况下可以省略[]+,即问题转换为:
(4)由于存在期望,遍历用户速率Rm不允许显示表达式,较难估计Rm的准确值,因此引入如下近似:
(7)判断(6)所得半正定松弛下的最优解的秩是否为一,若为一,则采用特征值分解,得到鲁棒预编码优化设计问题的最优预编码矢量,若秩不全为一,则采用高斯随机化得到次优预编码矢量。
Claims (8)
1.一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性,同时,考虑窃听者准确位置难以获取,引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性;
步骤2,考虑系统总功率的约束条件,将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题。
2.根据权利要求1所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法,其特征在于,步骤1中考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性,同时,考虑窃听者准确位置难以获取,引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性;具体为:
低轨卫星、用户端和窃听者端配置均匀天线阵列(UPA,Uniform Planar Array),对于合法用户m,由于低轨卫星高速移动导致角度误差,卫星端收到的合法用户m的实际信道响应为其中,gm为信道增益, 为第m个用户的实际UPA响应向量,和分别为第m个用户在x轴和y轴上的角度估计,和为相应的角度估计误差;
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210026093.XA CN114337738B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210026093.XA CN114337738B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114337738A true CN114337738A (zh) | 2022-04-12 |
CN114337738B CN114337738B (zh) | 2022-10-14 |
Family
ID=81026679
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210026093.XA Active CN114337738B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114337738B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115277344A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-11-01 | 西北工业大学 | 一种基于松弛相位约束的鲁棒方向调制安全传输方法 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3484067A1 (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-15 | Universität der Bundeswehr München | Method for operating a communication system |
CN110611528A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-24 | 南京邮电大学 | 基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统 |
CN110838859A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-25 | 东南大学 | 适用于多波束卫星通信系统的高能效鲁棒预编码方法 |
CN112260737A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-22 | 东南大学 | 总能效与最小能效权衡的多波束卫星通信鲁棒预编码方法 |
CN113037340A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-25 | 东方红卫星移动通信有限公司 | 多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法 |
CN113452422A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 东南大学 | 一种mimo窃听系统的鲁棒性安全波束成形方法 |
-
2022
- 2022-01-11 CN CN202210026093.XA patent/CN114337738B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3484067A1 (en) * | 2017-11-13 | 2019-05-15 | Universität der Bundeswehr München | Method for operating a communication system |
CN110611528A (zh) * | 2019-09-26 | 2019-12-24 | 南京邮电大学 | 基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统 |
CN110838859A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-25 | 东南大学 | 适用于多波束卫星通信系统的高能效鲁棒预编码方法 |
CN112260737A (zh) * | 2020-10-16 | 2021-01-22 | 东南大学 | 总能效与最小能效权衡的多波束卫星通信鲁棒预编码方法 |
CN113037340A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-25 | 东方红卫星移动通信有限公司 | 多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法 |
CN113452422A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-28 | 东南大学 | 一种mimo窃听系统的鲁棒性安全波束成形方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
XIAOYU QIANG: "Hybrid A/D Precoding for Downlink Massive MIMO in LEO Satellite Communications", 《2021 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS WORKSHOPS》 * |
顾晨伟: "卫星通信下行链路鲁棒安全波束成形设计", 《系统工程与电子技术》 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115277344A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-11-01 | 西北工业大学 | 一种基于松弛相位约束的鲁棒方向调制安全传输方法 |
CN115277344B (zh) * | 2022-06-29 | 2023-08-18 | 西北工业大学 | 一种基于松弛相位约束的鲁棒方向调制安全传输方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114337738B (zh) | 2022-10-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110099017B (zh) | 基于深度神经网络的混合量化系统的信道估计方法 | |
CN107018099B (zh) | 一种针对毫米波多用户mimo系统的时变信道估计方法 | |
CN107332598B (zh) | 一种基于深度学习的mimo系统联合预编码和天线选择方法 | |
CN111147113B (zh) | 一种能效保障的多波束卫星通信鲁棒预编码方法 | |
US8432988B2 (en) | System and method for quantization of channel state information | |
CN109194378B (zh) | 基于线性神经网络的物理层安全波束赋形方法 | |
CN111262803B (zh) | 一种基于深度学习的物理层安全通信方法、装置及系统 | |
CN106487725A (zh) | 一种多用户mimo系统毫米波信道估计方法 | |
CN103546210B (zh) | 多基站协作场景中基于安全速率优化的预编码方法 | |
CN113114341B (zh) | 高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置 | |
CN112260737A (zh) | 总能效与最小能效权衡的多波束卫星通信鲁棒预编码方法 | |
CN114337738B (zh) | 一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 | |
CN104617996A (zh) | 大规模mimo系统中最大化最小信噪比的预编码设计方法 | |
CN107276933A (zh) | 用于上行多用户mimo系统中基于二阶统计量的信道估计方法 | |
CN111130571A (zh) | 一种非正交多址接入系统中的极化码安全编码方法 | |
Rajoriya et al. | Centralized and decentralized channel estimation in FDD multi-user massive MIMO systems | |
CN111148203B (zh) | 异构网络中人工噪声辅助的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方法 | |
CN106685554B (zh) | 提高通信系统的安全速率的方法和系统、安全通信系统 | |
CN114337753B (zh) | 一种适用于高轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法 | |
Cho et al. | Coordinated beamforming in quantized massive MIMO systems with per-antenna constraints | |
CN108566651A (zh) | 方向调制中基于泄露的功率分配策略 | |
Fan et al. | Bayesian Channel Tracking and AoA Acquisition in Millimeter Wave MIMO Systems with Low-Resolution ADCs | |
CN108566640A (zh) | 基于方向角误差上下界的方向调制物理层安全技术 | |
Ahmed et al. | Energy efficient ADC bit allocation for massive MIMO: A deep-learning approach | |
CN105207701B (zh) | 用于在多小区多用户多天线系统中基于ica的解码方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |