CN114362804A - 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法 - Google Patents

一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114362804A
CN114362804A CN202111577918.9A CN202111577918A CN114362804A CN 114362804 A CN114362804 A CN 114362804A CN 202111577918 A CN202111577918 A CN 202111577918A CN 114362804 A CN114362804 A CN 114362804A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
eavesdropper
reflecting surface
earth station
mth
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
Application number
CN202111577918.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114362804B (zh
Inventor
林敏�
肖圣杰
黄庶沛
黄硕
曹李莉
程铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202111577918.9A priority Critical patent/CN114362804B/zh
Publication of CN114362804A publication Critical patent/CN114362804A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114362804B publication Critical patent/CN114362804B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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

本发明公开了卫星通信技术领域的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，以及窃听者的位置信息；基于获取的信道状态信息和位置信息，以卫星和基站的总发射功率最小化为目标，添加约束条件，对卫星波束成形权矢量、基站发射功率及智能反射面相移矩阵进行联合优化，建立相应的安全传输问题模型；对安全传输问题模型进行求解，计算获得核心网设计方案；卫星、基站和智能反射面依据核心网设计方案实现卫星通信的安全可靠传输；本发明保证地球站服务质量的同时，通过智能反射面产生友好干扰，使得窃听者的输出信干噪比低于解调所需的门限值，实现卫星通信的安全传输。

Description

一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法。
背景技术
为了解决第六代移动通信的频谱紧缺问题，通过频谱共享技术将卫星通信网与地面蜂窝网互相融合所构成的星地融合认知网络在实现全球覆盖，在各领域有着广泛的应用。另一方面，由于卫星通信固有的广播特性和开放特性，其隐私和安全问题在卫星通信中一直是人们研究的热点。除了传统的上层密钥加密机制，利用无线信道差异性以及随机性实现信息安全传输的物理层安全技术备受研究者的青睐。其中，星载波束成形技术作为实现卫星通信物理层安全的重要途径，得到了广泛研究。但有时由于合法链路和窃听链路无线信道的差异性较小，从而很难直接通过星上波束成形技术实现卫星下行链路的安全传输。针对这个问题，可利用地面蜂窝网向窃听者发射友好干扰的方法，实现卫星通信系统的安全传输。
智能反射面作为一种新兴的技术，是第6代移动通信的重要候选技术之一，它利用集成在平面上的大量无源反射元件通过对反射相位调整智能地配置无线传播环境，从而提高无线通信系统性能。相对于传统的中继系统，智能反射面具有成本低、功耗低、易部署等优点。因此，在频谱共享的星地融合网络中，通过将智能反射面安装在高楼或无人机上，辅助地面蜂窝网向窃听者发射友好干扰，可以有效抑制泄漏到窃听者的信号，使其无法正确译码。
在实际应用中，传统传输方法仍存在各种问题：其一，地面基站易受到建筑物遮挡，导致其服务范围受限，难以辅助卫星实现信号的安全传输；其二，窃听者作为非法用户，难以获取其准确的信道状态信息。针对以上两点，本发明给出了一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，保证地球站服务质量的同时，通过智能反射面产生友好干扰，使得窃听者的输出信干噪比低于解调所需的门限值，实现卫星通信的安全传输。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，包括：
获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，以及窃听者的位置信息；
基于获取的信道状态信息和位置信息，以卫星和基站的总发射功率最小化为目标，添加地球站服务质量约束条件和发射功率约束条件以及窃听者信干噪比约束条件，对卫星波束成形权矢量w、基站发射功率P及智能反射面相移矩阵Φ进行联合优化，建立相应的安全传输问题模型；
通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，并利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题模型后进行求解，计算获得核心网设计方案，完成星地融合网络无线传输的鲁棒优化设计；卫星、基站和智能反射面依据核心网设计方案实现卫星通信的安全可靠传输。
优选的，获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，过程包括：第m个地球站的信道矢量hm的计算为：
Figure BDA0003425230580000021
其中，Gm表示第m个地球站接收增益；CSTA,m为卫星与第m个地球站之间的自由空间损耗；
Figure BDA0003425230580000031
表示第m个地球站的雨衰系数矢量，其元素的dB形式服从对数正态随机分布
Figure BDA0003425230580000032
1≤n≤K；⊙表示向量的Hadamard积；
Figure BDA0003425230580000033
由第m个地球站到达不同波束的相位差组成；K表示为卫星搭载的天线阵元数；T表示为转置运算符；
Figure BDA0003425230580000034
表示点波束增益；
Figure BDA0003425230580000035
和bm中具体元素可表示为：
Figure BDA0003425230580000036
Figure BDA0003425230580000037
umn＝2.07123sinφmn/sinφ3dB
其中，λ为载波波长；j表示为虚数标识符号；dmk表示第m个地球站到达第k个波束中心距离；bmax为卫星天线的最大增益；J1(·)和J3(·)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数；φmn表示第m个用户相对于第n个波束的偏轴角，φ3dB为单侧半功率波束宽度。
优选的，窃听者的位置信息包括：
第n个窃听者相对于卫星的方位角
Figure BDA0003425230580000038
的范围为
Figure BDA0003425230580000039
俯仰角
Figure BDA00034252305800000310
范围为
Figure BDA00034252305800000311
第n个窃听者相对于智能反射面的方位角
Figure BDA00034252305800000312
的范围为
Figure BDA00034252305800000313
俯仰角
Figure BDA00034252305800000314
范围为
Figure BDA00034252305800000315
优选的，建立相应的安全传输问题模型为：
Figure BDA00034252305800000316
其中，
Figure BDA0003425230580000041
为卫星波束成形权矢量；P为基站发射功率；γGW,m表示为第m个地球站的输出信干噪比，γth,w表示第m个地球站满足最低通信要求的信噪干比门限；γEVE,n表示为第n个窃听者输出信干噪比；γth,e为窃听者能够正确解码的最低信干噪比门限；PSAT和PBS为卫星和基站的最大发射功率。
优选的，第m个地球站的输出信干噪比γGW,m，计算公式为：
Figure BDA0003425230580000042
其中，
Figure BDA0003425230580000043
为智能反射面到第m个地球站的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000044
为智能反射面的对角相移矩阵；
Figure BDA0003425230580000045
为基站与智能反射面间的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000046
为基站使用最大比率传输方案的波束成形权矢量；
Figure BDA0003425230580000047
为第m个地球站接收噪声功率；(·)H表示为共轭转置运算符。
优选的，智能反射面到第m个地球站的信道矢量gm，计算公式为：
Figure BDA0003425230580000048
其中，Gm为第m个地球站的接收增益；CIRS,m为智能反射面与第m个地球站间的自由空间损耗；vec(·)表示矩阵矢量化；
Figure BDA0003425230580000049
为信道矩阵，可表示为：
Figure BDA00034252305800000410
其中，θm和
Figure BDA00034252305800000411
分别表示第m个地球站相对于智能反射面的俯仰角和方位角；
Figure BDA00034252305800000412
和
Figure BDA00034252305800000413
为智能反射面的x轴和y轴导向矢量。
优选的，第n个窃听者输出信干噪比γEVE,n，计算公式为：
Figure BDA00034252305800000414
其中，
Figure BDA0003425230580000051
为卫星到第n个窃听者的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000052
为智能反射面到第n个窃听者的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000053
为第n个窃听者的接收噪声功率。
优选的，通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，过程包括：首先对窃听者信号相对于智能反射面的方位角和俯仰角、窃听者信号相对于卫星的方位角和俯仰角进行离散化处理，然后根据各个离散的方位角和俯仰角估计出信道导向矢量，最后通过加权求和的方式获得卫星和智能反射面到第n个窃听者的信道矢量en和fn，计算公式为：
Figure BDA0003425230580000054
Figure BDA0003425230580000055
其中，
Figure BDA0003425230580000056
Figure BDA0003425230580000057
D1、D2、D3和D4表示离散程度参数；h()表示为卫星下行信道矢量；g()表示为智能反射面下行信道矢量：i表示为方位角的第i个离散值；j表示为俯仰角的第j个离散值。
优选的，利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题后进行求解，计算获得核心网设计方案，方法包括：
令
Figure BDA0003425230580000058
利用半正定规划对安全传输问题模型进行等价转换，并利用惩罚函数原理对目标函数进行改写，获得的凸优化问题模型可表示为：
Figure BDA0003425230580000059
Figure BDA0003425230580000061
其中，W＝wwH；
Figure BDA0003425230580000062
Q＝qqH；
Figure BDA0003425230580000063
Figure BDA0003425230580000064
(·)*表示共轭运算符；
Figure BDA0003425230580000065
为对角线位置(i,i)为1，其余元素全为0的实对角矩阵；δ和ρ表示惩罚因子；λmax(·)表示矩阵的最大特征值；W(k)和Q(k)表示第k次迭代时的最优解；
Figure BDA0003425230580000066
和
Figure BDA0003425230580000067
表示矩阵最大特征值对应的特征向量；
通过惩罚函数法对凸优化问题模型进行迭代求解，获得卫星波束成形权矢量，基站发射功率及智能反射面的相移矩阵，获得核心网设计方案。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明中建立相应的安全传输问题模型过程中以卫星和基站的总发射功率最小化为目标，添加地球站服务质量约束条件和发射功率约束条件以及窃听者信干噪比约束条件；以最小的功率消耗为代价，在干扰窃听者时保证地球站服务质量，以解决地面基站易受 到建筑物遮挡导致其服务范围受限的问题。
本发明对卫星波束成形权矢量w、基站发射功率P及智能反射面相移矩阵Φ进行联合优化，通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理后，对安全传输问题模型优化求解，可有效克服窃听者信道信息不完美带来的影响，并通过 智能反射面产生友好干扰使得窃听者无法对信号进行正确译码，从而实现卫星通信系统的安全可靠传输。
附图说明
图1为本发明实施例中星地融合网络通信系统的示意图；
图2为本发明提供的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-2所示，一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，包括：
获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，以及窃听者的位置信息；
获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，过程包括：第m个地球站的信道矢量hm的计算为：
Figure BDA0003425230580000071
其中，Gm表示第m个地球站接收增益；CSTA,m为卫星与第m个地球站之间的自由空间损耗；
Figure BDA0003425230580000072
表示第m个地球站的雨衰系数矢量，其元素的dB形式服从对数正态随机分布
Figure BDA0003425230580000073
1≤n≤K；⊙表示向量的Hadamard积；
Figure BDA0003425230580000074
由第m个地球站到达不同波束的相位差组成；K表示为卫星搭载的天线阵元数；T表示为转置运算符；
Figure BDA0003425230580000075
表示点波束增益；
Figure BDA0003425230580000076
和bm中的具体元素可表示为：
Figure BDA0003425230580000077
Figure BDA0003425230580000078
umn＝2.07123sinφmn/sinφ3dB
其中，λ为载波波长；j表示为虚数符号；dmk表示第m个地球站到达第k个波束中心距离；bmax为卫星天线的最大增益；J1(·)和J3(·)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数；φmn表示第m个用户相对于第n个波束的偏轴角，φ3dB为单侧半功率波束宽度。
窃听者的位置信息包括：第n个窃听者相对于卫星的方位角
Figure BDA0003425230580000081
的范围为
Figure BDA0003425230580000082
第n个窃听者相对于智能反射面的方位角
Figure BDA0003425230580000083
的范围为
Figure BDA0003425230580000084
第n个窃听者相对于卫星的俯仰角
Figure BDA0003425230580000085
范围为
Figure BDA0003425230580000086
第n个窃听者相对于智能反射面的俯仰角
Figure BDA0003425230580000087
范围为
Figure BDA0003425230580000088
基于获取的信道状态信息和位置信息，以卫星和基站的总发射功率最小化为目标，添加地球站服务质量约束条件和发射功率约束条件以及窃听者信干噪比约束条件，对卫星波束成形权矢量w、基站发射功率P及智能反射面相移矩阵Φ进行联合优化，建立相应的安全传输问题模型；
建立相应的安全传输问题模型，可表示为：
Figure BDA0003425230580000089
其中，
Figure BDA00034252305800000810
为卫星波束成形权矢量；P为基站发射功率；γGW,m表示为第m个地球站的输出信干噪比，γth,w表示第m个地球站满足最低通信要求的信噪干比门限；γEVE,n表示为第n个窃听者输出信干噪比；γth,e为窃听者能够正确解码的最低信干噪比门限；PSAT和PBS为卫星和基站的最大发射功率。
第m个地球站的输出信干噪比γGW,m，计算公式为：
Figure BDA00034252305800000811
其中，
Figure BDA0003425230580000091
为智能反射面到第m个地球站的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000092
为智能反射面的对角相移矩阵；
Figure BDA0003425230580000093
为基站与智能反射面间的信道矢量；
Figure BDA0003425230580000094
为基站使用最大比率传输方案的波束成形权矢量；
Figure BDA0003425230580000095
为第m个地球站接收噪声功率；(·)H表示为共轭转置运算符。
智能反射面到第m个地球站的信道矢量gm，计算公式为：
Figure BDA0003425230580000096
其中，Gm为第m个地球站的接收增益；CIRS,m为智能反射面与第m个地球站间的自由空间损耗；vec(·)表示矩阵矢量化；
Figure BDA0003425230580000097
为信道矩阵，可表示：
Figure BDA0003425230580000098
其中，θm和
Figure BDA0003425230580000099
分别表示第m个地球站相对于智能反射面的俯仰角和方位角；
Figure BDA00034252305800000910
和
Figure BDA00034252305800000911
为智能反射面的x轴和y轴导向矢量。
第n个窃听者输出信干噪比γEVE,n，计算公式为：
Figure BDA00034252305800000912
其中，
Figure BDA00034252305800000913
为卫星到第n个窃听者的信道矢量；
Figure BDA00034252305800000914
为智能反射面到第n个窃听者的信道矢量；
Figure BDA00034252305800000915
为第n个窃听者的接收噪声功率。
通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，并利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题模型后进行求解，计算获得核心网设计方案；
通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，过程包括：
首先对窃听者信号相对于智能反射面的方位角和俯仰角、窃听者信号相对于卫星的方位角和俯仰角进行离散化处理，然后根据各个离散的方位角和俯仰角估计出信道导向矢量，最后通过加权求和的方式获得卫星和智能反射面到第n个窃听者的信道矢量en和fn，计算公式为：
Figure BDA0003425230580000101
Figure BDA0003425230580000102
其中，
Figure BDA0003425230580000103
Figure BDA0003425230580000104
D1、D2、D3和D4表示离散程度参数；h()表示为卫星下行信道矢量；g()表示为智能反射面下行信道矢量：i表示为方位角的第i个离散值；j表示为俯仰角的第j个离散值。
利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题后进行求解，计算获得核心网设计方案，方法包括：
令
Figure BDA0003425230580000105
利用半正定规划对安全传输问题模型进行等价转换，获得的优化问题P1可表示为：
Figure BDA0003425230580000106
其中，W＝wwH；
Figure BDA0003425230580000107
Q＝qqH；
Figure BDA0003425230580000108
Figure BDA0003425230580000109
(·)*表示共轭；
Figure BDA00034252305800001010
为对角线位置(i,i)为1，其余元素全为0的实对角矩阵；
W和Q存在秩1约束问题，利用惩罚函数改写优化目标函数，消除秩1约束，转化可得凸优化问题P2，问题P2可表示为：
Figure BDA0003425230580000111
λmax(·)表示矩阵的最大特征值；W(k)和Q(k)表示第k次迭代时的最优解；
Figure BDA0003425230580000112
和
Figure BDA0003425230580000113
表示矩阵最大特征值对应的特征向量；
通过惩罚函数法对凸优化问题模型进行迭代求解，包括：
1、初始化惩罚因子δ和ρ、计算精度ε、迭代次数k＝0；
2、求解忽略秩1约束的优化问题P1，获得的最优解记为W(k)和Q(k)；
3、计算得到W(k)和Q(k)的最大特征值
Figure BDA0003425230580000114
和
Figure BDA0003425230580000115
及对应的特征向量
Figure BDA0003425230580000116
和
Figure BDA0003425230580000117
4、求解凸优化问题P2，获得的最优解记为W(k+1)和Q(k+1)；
5、如果W(k+1)≈W(k)，则δ＝2δ；如果Q(k+1)≈Q(k)，则ρ＝2ρ；
6、更新迭代次数k＝k+1；
7、如果满足收敛条件
Figure BDA0003425230580000118
迭代结束，输出卫星波束成形权矢量，基站发射功率及智能反射面的相移矩阵；否则返回步骤3；
根据卫星波束成形权矢量，基站发射功率及智能反射面的相移矩阵，获得核心网设计方案,完成星地融合网络无线传输的鲁棒优化设计；卫星、基站和智能反射面依据核心网设计方案实现卫星通信的安全可靠传输。
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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，包括：
获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，以及窃听者的位置信息；
基于获取的信道状态信息和位置信息，以卫星和基站的总发射功率最小化为目标，添加地球站服务质量约束条件和发射功率约束条件以及窃听者信干噪比约束条件，对卫星波束成形权矢量w、基站发射功率P及智能反射面相移矩阵Φ进行联合优化，建立相应的安全传输问题模型；
通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，并利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题模型后进行求解，计算获得核心网设计方案，完成星地融合网络无线传输的鲁棒优化设计；卫星、基站和智能反射面依据核心网设计方案实现卫星通信的安全可靠传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，获取作为合法用户的地球站无线链路的信道状态信息，过程包括：第m个地球站的卫星下行信道矢量hm的计算为：
Figure FDA0003425230570000011
其中，Gm表示第m个地球站接收增益；CSTA,m为卫星与第m个地球站之间的自由空间损耗；
Figure FDA0003425230570000012
表示第m个地球站的雨衰系数矢量，其元素的dB形式服从对数正态随机分布
Figure FDA0003425230570000013
⊙表示向量的Hadamard积；
Figure FDA0003425230570000014
由第m个地球站到达不同波束的相位差组成；K表示为卫星搭载的天线阵元数；T表示为转置运算符；
Figure FDA0003425230570000015
表示点波束增益；
Figure FDA0003425230570000021
和bm中具体元素可表示为：
Figure FDA0003425230570000022
Figure FDA0003425230570000023
umn＝2.07123sinφmn/sinφ3dB
其中，λ为载波波长；j表示为虚数标识符；dmk表示第m个地球站到达第k个波束中心距离；bmax为卫星天线的最大增益；J1(·)和J3(·)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数；φmn表示第m个用户相对于第n个波束的偏轴角，φ3dB为单侧半功率波束宽度。
3.根据权利要求2所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，窃听者的位置信息包括：第n个窃听者相对于卫星的方位角
Figure FDA0003425230570000024
的范围为
Figure FDA0003425230570000025
俯仰角
Figure FDA0003425230570000026
范围为
Figure FDA0003425230570000027
第n个窃听者相对于智能反射面的方位角
Figure FDA0003425230570000028
的范围为
Figure FDA0003425230570000029
俯仰角
Figure FDA00034252305700000210
范围为
Figure FDA00034252305700000211
4.根据权利要求3所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，建立相应的安全传输问题模型为：
Figure FDA00034252305700000212
s.t.γGW，m≥γth，w m∈{1，2，…，M}
γVE，N≤γth，e n∈{1，2，…，N}
||w||2≤PSAT and P≤PBS
|Φ(i，i)|＝1 i∈{1，2，…，L2}
其中，
Figure FDA00034252305700000213
为卫星波束成形权矢量；P为基站发射功率；γGW，m表示为第m个地球站的输出信干噪比，γth，w表示第m个地球站满足最低通信要求的信干噪比门限；γEVE，n表示为第n个窃听者输出信干噪比；γth，e为窃听者能够正确解码的最低信干噪比门限；PSAT和PBS为卫星和基站的最大发射功率。
5.根据权利要求4所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，第m个地球站的输出信干噪比γGW，m，计算公式为：
Figure FDA0003425230570000031
其中，
Figure FDA0003425230570000032
为智能反射面到第m个地球站的信道矢量；
Figure FDA0003425230570000033
为智能反射面的对角相移矩阵；
Figure FDA0003425230570000034
为基站与智能反射面间的信道矢量；
Figure FDA0003425230570000035
为基站使用最大比率传输方案的波束成形权矢量；
Figure FDA0003425230570000036
为第m个地球站接收噪声功率；(·)H表示为共轭转置运算符。
6.根据权利要求5所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，智能反射面到第m个地球站的信道矢量gm，计算公式为：
Figure FDA0003425230570000037
其中，Gm为第m个地球站的接收增益；CIRS,m为智能反射面与第m个地球站间的自由空间损耗；vec(·)表示矩阵矢量化；
Figure FDA0003425230570000038
为信道矩阵，可表示为：
Figure FDA0003425230570000039
其中，θm和
Figure FDA00034252305700000310
分别表示第m个地球站相对于智能反射面的俯仰角和方位角；
Figure FDA00034252305700000311
和
Figure FDA00034252305700000312
为智能反射面的x轴和y轴导向矢量。
7.根据权利要求6所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，第n个窃听者输出信干噪比γEVE，n，计算公式为：
Figure FDA00034252305700000313
其中，
Figure FDA00034252305700000314
为卫星到第n个窃听者的信道矢量；
Figure FDA00034252305700000315
为智能反射面到第n个窃听者的信道矢量；
Figure FDA00034252305700000316
为第n个窃听者的接收噪声功率。
8.根据权利要求7所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，通过角度离散化方法对安全传输问题模型中窃听者位置信息的不确定性进行处理，过程包括：首先对窃听者信号相对于智能反射面的方位角和俯仰角、窃听者信号相对于卫星的方位角和俯仰角进行离散化处理，然后根据各个离散的方位角和俯仰角估计出信道导向矢量，最后通过加权求和的方式获得卫星和智能反射面到第n个窃听者的信道矢量en和fn，计算公式为：
Figure FDA0003425230570000041
Figure FDA0003425230570000042
其中，
Figure FDA0003425230570000043
Figure FDA0003425230570000044
D1、D2、D3和D4表示离散程度参数；h()表示为卫星下行信道矢量；g()表示为智能反射面下行信道矢量：i表示为方位角的第i个离散值；j表示为俯仰角的第j个离散值。
9.根据权利要求8所述的一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法，其特征在于，利用半正定规划和惩罚函数法将安全传输问题模型转换为凸优化问题后进行求解，计算获得核心网设计方案，方法包括：
令
Figure FDA0003425230570000045
利用半正定规划对安全传输问题模型进行等价转换，并利用惩罚函数原理对目标函数进行改写，获得的凸优化问题模型可表示为：
Figure FDA0003425230570000046
s.t.C1：
Figure FDA0003425230570000051
C2：
Figure FDA0003425230570000052
C3：Tr(W)≤PSAT and C4：P≤PBS
C5：
Figure FDA00034252305700000510
and C6：rank(W)＝1
C7：
Figure FDA00034252305700000511
and C8：rank(Q)＝1
C9：Tr(BiQ)＝P i∈{1，2，…，L2}
其中，W＝wwH；
Figure FDA0003425230570000053
Q＝qqH；
Figure FDA0003425230570000054
Figure FDA0003425230570000055
Figure FDA0003425230570000056
(·)*表示为共轭运算符；
Figure FDA0003425230570000057
为对角线位置(i，i)为1，其余元素全为0的实对角矩阵；δ和ρ表示惩罚因子；λmax(·)表示矩阵的最大特征值；W(k)和Q(k)表示第k次迭代时的最优解；
Figure FDA0003425230570000058
和
Figure FDA0003425230570000059
表示矩阵最大特征值对应的特征向量；
通过惩罚函数法对凸优化问题模型进行迭代求解，获得卫星波束成形权矢量，基站发射功率及智能反射面的相移矩阵，获得核心网设计方案。
CN202111577918.9A 2021-12-22 2021-12-22 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法 Active CN114362804B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111577918.9A CN114362804B (zh) 2021-12-22 2021-12-22 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111577918.9A CN114362804B (zh) 2021-12-22 2021-12-22 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114362804A true CN114362804A (zh) 2022-04-15
CN114362804B CN114362804B (zh) 2023-08-01

Family

ID=81100950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111577918.9A Active CN114362804B (zh) 2021-12-22 2021-12-22 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114362804B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115412159A (zh) * 2022-09-01 2022-11-29 大连理工大学 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法
CN116388836A (zh) * 2023-03-08 2023-07-04 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于深度学习的星地融合网络波束成形设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109412745A (zh) * 2018-12-11 2019-03-01 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种星-地混合通信网络下行协同安全传输方法
CN112073107A (zh) * 2020-09-17 2020-12-11 南通大学 基于智能反射面的多组、多播联合波束赋形算法设计
CN112953613A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 西北工业大学 一种基于智能反射面反向散射的车辆与卫星协作通信方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109412745A (zh) * 2018-12-11 2019-03-01 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种星-地混合通信网络下行协同安全传输方法
CN112073107A (zh) * 2020-09-17 2020-12-11 南通大学 基于智能反射面的多组、多播联合波束赋形算法设计
CN112953613A (zh) * 2021-01-28 2021-06-11 西北工业大学 一种基于智能反射面反向散射的车辆与卫星协作通信方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马刚刚: "智能反射面辅助的无线供能空中计算系统研究", 现代信息科技, vol. 5, no. 04, pages 48 - 52 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115412159A (zh) * 2022-09-01 2022-11-29 大连理工大学 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法
CN115412159B (zh) * 2022-09-01 2023-10-13 大连理工大学 基于空中智能反射面辅助的安全通信方法
CN116388836A (zh) * 2023-03-08 2023-07-04 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于深度学习的星地融合网络波束成形设计方法
CN116388836B (zh) * 2023-03-08 2023-10-13 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种星地融合网络波束成形设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114362804B (zh) 2023-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Refracting RIS-aided hybrid satellite-terrestrial relay networks: Joint beamforming design and optimization
Xu et al. Intelligent reflecting surface enabled secure cooperative transmission for satellite-terrestrial integrated networks
Hua et al. Secure intelligent reflecting surface-aided integrated sensing and communication
Shahmansoori et al. 5G position and orientation estimation through millimeter wave MIMO
Wang et al. Secrecy performance analysis of IRS-aided UAV relay system
Sun et al. Energy-efficient hybrid beamforming for multilayer RIS-assisted secure integrated terrestrial-aerial networks
Lin et al. Robust multi-objective beamforming for integrated satellite and high altitude platform network with imperfect channel state information
Li et al. Joint active and passive beamforming for intelligent reflecting surface-assisted massive MIMO systems
CN114362804A (zh) 一种基于智能反射面的星地融合安全传输方法
CN110912597A (zh) 一种基于多目标优化的鲁棒安全波束成形方法
Solanki et al. On the performance of IRS-aided UAV networks with NOMA
Qiao et al. Securing intelligent reflecting surface assisted terahertz systems
Wang et al. Sensing-assisted secure uplink communications with full-duplex base station
Wang et al. Joint beamforming for intelligent reflecting surface-assisted millimeter wave communications
Wu et al. Robust secure transmission design for IRS-assisted mmWave cognitive radio networks
Sun et al. Robust design for RIS-assisted anti-jamming communications with imperfect angular information: A game-theoretic perspective
Shang et al. UAV swarm-enabled aerial reconfigurable intelligent surface: Modeling, analysis, and optimization
Moon et al. RF lens antenna array-based one-shot coarse pointing for hybrid RF/FSO communications
Torkzaban et al. Shaping mmwave wireless channel via multi-beam design using reconfigurable intelligent surfaces
CN113364554B (zh) 一种感知辅助的上行安全通信方法
JP4680113B2 (ja) 無線送信装置および無線送信方法
Jung et al. Secrecy rate analysis of open-loop analog collaborative beamforming under position estimation error of virtual antenna array
Liu et al. Channel estimation and power scaling of reconfigurable intelligent surface with non-ideal hardware
Shi et al. Secrecy performance analysis in internet of satellites: Physical layer security perspective
Habib et al. Extended NYUSIM-based mmWave channel model and simulator for RIS-assisted systems

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