CN114884616A - 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备 - Google Patents

基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114884616A
CN114884616A CN202210486195.XA CN202210486195A CN114884616A CN 114884616 A CN114884616 A CN 114884616A CN 202210486195 A CN202210486195 A CN 202210486195A CN 114884616 A CN114884616 A CN 114884616A
Authority
CN
China
Prior art keywords
legal
eavesdropping
artificial noise
user
ground
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
CN202210486195.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114884616B (zh
Inventor
高贞贞
程琳凌
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.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
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 Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202210486195.XA priority Critical patent/CN114884616B/zh
Publication of CN114884616A publication Critical patent/CN114884616A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114884616B publication Critical patent/CN114884616B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0041—Arrangements at the transmitter end
    • H04L1/0042—Encoding specially adapted to other signal generation operation, e.g. in order to reduce transmit distortions, jitter, or to improve signal shape
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/0014—Carrier regulation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/0014—Carrier regulation
    • H04L2027/0024—Carrier regulation at the receiver end
    • H04L2027/0026—Correction of carrier offset
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备，方法包括：对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure DDA0003630055580000011
n＝1,2；合法接收卫星根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。本发明基于合法链路信道状态信息，对地面合法用户待发送数据和待发送人工噪声进行预编码设计，在合法接收卫星处能够消除人工噪声的影响，而地面窃听用户处无法消除人工噪声的影响，且由于人工噪声的引入不能利用盲信道估计进行解码，达到了安全传输的目的。

Description

基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备
技术领域
本发明属于卫星通信系统领域，具体涉及一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备。
背景技术
无线通信在信道开放性、移动灵活性等方面具有明显的优势，但开放和广播等特点也使得无线通信在保密性和安全性方面面临着较大威胁，从而导致位置泄露、信息窃取、恶意干扰等问题。卫星通信作为无线通信的典型应用，由于较广的覆盖范围以及固有的广播特性，现已被广泛应用于地面站中继、信息转发、导航定位等领域，且空天地一体化发展已成为6G的共识，但卫星通信同样面临上述提及的无线通信安全问题。
卫星通信系统的安全性同地面无线通信系统一样，通常在数据链路层中采用基于计算复杂度的密码学安全机制。该机制主要依赖于合法用户和非法用户的信息不对等来构造密钥，并通过难以求解的数学问题来增加加密、解密过程的复杂度，使得非法用户无法在短时间内有效破译密码，从而保障通信过程的安全性。然而，随着非法用户所具备的计算能力日益强大，基于密码学的信息安全受到严重威胁，合法通信双方必须通过增加加密算法的复杂度、增加密钥长度、减小密钥更新时间间隔等方式来对抗非法用户的攻击和窃听，但此类操作都会消耗大量资源并降低传输效率，给通信终端带来负担。
目前，针对无线通信系统提出的物理层安全技术已经成为保障通信过程安全性的一种新选择。物理层安全技术能够有效利用物理介质固有的随机性和合法链路与非法链路的差异性，以确保合法接收方能够对信息进行正确解码而非法接收方无法正确解码，从而保证信息传输的安全性。当前应用在卫星通信系统中的物理层安全技术主要包括波束成形技术、人工噪声技术、全双工技术等。例如，南京邮电大学的张健研究了单用户下行链路的场景，并考虑了窃听者非协作或协作的情况，通过设计优化问题在卫星每天线发射功率及服务质量的约束下最大化最小可达保密率；国防科技大学的林志考虑了多用户下行链路且只有一个窃听者的场景，并考虑了窃听者信道状态信息(CSI)不完善的情况，通过设计优化问题在卫星发射总功率的约束下最大化最小可达保密率；南京邮电大学的林敏研究了认知卫星地面网络的波束成形联合优化问题；北京邮电大学的崔高峰研究了下行链路中卫星和地面全双工收发机的协同干扰，提出了一种交替优化的联合波束成形和功率分配算法。然而上述研究一方面依赖于窃听用户完美或者部分信道信息进行预编码设计，另一方面没有考虑合法用户与窃听用户由于地理位置相似而导致卫星到窃听用户的CSI与合法链路CSI具有一定相关性；同时，卫星或地面终端移动造成的较大多普勒频偏引入的子载波间干扰，可能使合法用户传输性能下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中低轨移动卫星及地面终端移动性带来的多普勒频移问题，提供一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备，在未知窃听者信道信息且窃听位于合法用户附近的情况下，有效的实现抵抗窃听。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，包括：
对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure BDA0003630055560000021
n＝1,2；
合法接收卫星根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。
作为本发明上行传输方法的一种优选方案，上行传输过程利用OFDM多载波技术进行传输，利用下行的频偏估计值，在地面终端对待发送信号进行频偏预补偿操作；
假设时域待发送数据为x(n)，接收端接收到的时域信号表示为：
Figure BDA0003630055560000031
其中，ε为归一化载波频偏，w(n)为加性高斯白噪声；
对接收到的时域信号y(n)进行FFT操作得到：
Figure BDA0003630055560000032
其中，k＝0,1,...N-1，上式第二项为子载波间干扰，C(k-l)表示为：
Figure BDA0003630055560000033
当ε＝0时，C(k-l)＝δ(k-l)，则没有ICI；
当ε≠0时，C(k-l)≠0，则产生ICI，ε值越大则子载波间干扰越大。
作为本发明上行传输方法的一种优选方案，假设合法通信链路信道为
Figure BDA0003630055560000034
和
Figure BDA0003630055560000035
则合法接收卫星处两子载波接收信号分别为：
yu1＝H1(α1x+β1υ)+Nu1
yu2＝H2(α2x+β2υ)+Nu2
式中，
Figure BDA0003630055560000036
为人工噪声，
Figure BDA0003630055560000037
和
Figure BDA0003630055560000038
为加性高斯白噪声，而α1和α2、β1和θ2为预编码向量。
更进一步的，作为本发明上行传输方法的一种优选方案，合法接收卫星接收直接叠加的两个载波接收信号，获得如下表达式：
yu＝yu1+yu2
＝H1(α1x+β1υ)+Nu1+H2(α2x+β2υ)+Nu2
＝(H1α1+H2α2)x+(H1β1+H2β2)υ+(Nu1+Nu2)
令，
Figure BDA0003630055560000041
Figure BDA0003630055560000042
其中，
Figure BDA0003630055560000043
则，
Figure BDA0003630055560000044
其中，Nu＝Nu1+Nu2；
预编码向量α1和α2使得地面合法用户在发射端进行MRT发送，而预编码向量β1和β2使合法接收卫星处接收信号不含人工噪声。
更进一步的，作为本发明上行传输方法的一种优选方案，对于a和b的值，通过考虑单载波功率约束进行求解，计算表达式如下：
Figure BDA0003630055560000045
Figure BDA0003630055560000046
更进一步的，作为本发明上行传输方法的一种优选方案，合法接收卫星利用最大似然接收数据的表达式如下：
Figure BDA0003630055560000051
假设地面窃听用户估计合法链路CSI为G1和G2，则G1和G2与H1和H2的关系建模为：
Figure BDA0003630055560000052
Figure BDA0003630055560000053
式中，ρ∈[0,1)为相关系数，
Figure BDA0003630055560000054
和
Figure BDA0003630055560000055
为服从复高斯分布的随机扰动项；考虑对合法通信最不利的情况，即地面窃听用户知道合法用户的编码方式及编码参数；在最不利于合法通信的假设下，地面窃听用户基于G1和G2来估算合法用户的发送编码为：
Figure BDA0003630055560000056
Figure BDA0003630055560000057
其中，
Figure BDA0003630055560000058
更进一步的，作为本发明上行传输方法的一种优选方案，假设合法用户到窃听节点的信道为
Figure BDA0003630055560000059
和
Figure BDA00036300555600000510
则地面窃听用户处两子载波接收信号分别为：
ye1＝F1(α1x+β1υ)+Ne1
ye2＝F2(α2x+β2υ)+Ne2
其中，
Figure BDA00036300555600000511
和
Figure BDA00036300555600000512
为加性高斯白噪声；若地面窃听用户主动地将ye1和ye2用加权参数γ1、γ2进行叠加为ye＝γ1ye1+γ2ye2以消除人工噪声，则加权参数γ1、γ2满足：
γ1βe1F1υ+γ2βe2F2υ＝0
Figure BDA00036300555600000513
地面窃听用户将两个载波接收信号直接叠加得到：
ye＝γ1ye1+γ2ye2＝(γ1αe1F1+γ2αe2F2)x+Ne
其中，Ne＝γ1Ne1+γ2Ne2。
更进一步的，作为本发明上行传输方法的一种优选方案，消除掉人工噪声之后，地面窃听用户利用最大似然接收，表达式如下，
Figure BDA0003630055560000061
若卫星到窃听用户的信道与合法信达统计独立，即ρ＝0，其无法获得合法链路CSI的任何信息，也无法对人工噪声进行消除，此时的解码参考合法接收卫星解码方式进行：
Figure BDA0003630055560000062
式中，a||F||利用
Figure BDA0003630055560000063
进行估计，L为用于估计的接收信号数量，
Figure BDA0003630055560000064
为发送数据x的平均幅度。
一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输设备，包括：
编码模块，用于对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure BDA0003630055560000065
n＝1,2；
解码模块，用于根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
基于合法链路信道状态信息，对地面合法用户待发送数据和待发送人工噪声进行预编码设计，在合法接收卫星处能够消除人工噪声的影响，而地面窃听用户处无法消除人工噪声的影响，且由于人工噪声的引入不能利用盲信道估计进行解码，达到了安全传输的目的。本发明基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法考虑了卫星或地面终端移动造成的多普勒频偏引入的子载波间干扰，并且能够实现：1、不影响合法接收卫星的解码；2、阻碍窃听用户的盲信道估计和盲信号检测；3、仿真证明本发明的方法能够有效抵抗窃听节点的窃听，当地面合法用户静止且窃听用户能对合法链路CSI进行估计时窃听用户误码率不低于0.2，当地面合法用户静止且窃听用户不能对合法链路CSI进行估计时窃听用户误码率约为0.5，当地面合法用户以100km/h速度移动时窃听用户误码率最低约为0.3。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图是本发明的一部分实施例，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的附图。
图1卫星通信系统上行传输系统模型；
图2不同归一化载波频偏下|C(k-l)|的分布图；
图3地面合法用户静止时不同SNR下的BER性能，a取值为1，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9、0.7、0.5；
图4地面合法用户静止时不同SNR下的BER性能，a取值为0.8，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9、0.7、0.5；
图5地面合法用户静止时不同SNR下的BER性能，a取值为1、0.9、0.8，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9；
图6地面合法用户移动时不同SNR下的BER性能，a取值为1，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9、0.7、0.5；
图7地面合法用户移动时不同SNR下的BER性能，a取值为0.8，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9、0.7、0.5；
图8地面合法用户移动时不同SNR下的BER性能，a取值为1、0.9、0.8，地面窃听用户考虑能或不能对合法链路CSI进行估计两种情况，相关系数取值为0.9。
具体实施方式
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、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，也都属于本发明保护的范围。
参见图1，在卫星通信系统上行传输系统中，地面合法用户(静止或移动)Alice和合法接收卫星Bob建立上行合法通信链路并进行通信，在此过程中，地面窃听用户Eve位于Alice的上方或附近，尝试对合法通信链路信道状态信息进行估计并尝试窃听Alice向Bob发送的信息。假设该系统为TDD系统，由信道互异性可知合法通信双方Alice和Bob所获得的合法链路CSI是相同且准确的，而Eve只能估计得到窃听链路的CSI。
本发明所提出基于人工噪声的卫星系统抗窃听上行传输方法包括如下步骤：
1)上行传输过程利用OFDM多载波技术进行传输。由低轨移动卫星运动引入的多普勒频偏变化范围较大，虽然在卫星处可以对频偏进行估计并补偿，但大频偏导致估计与补偿较为困难。因此，可以利用下行的频偏估计值，在地面终端对待发送信号进行频偏预补偿操作。但由于卫星通信系统传播时延较大，所以地面终端预补偿的频偏与实际卫星接收信号所遭受的频偏可能不一样，存在残余的小数倍归一化频偏。
在不考虑地面终端移动时，由于地面终端在星下点附近时，地面终端相对卫星的仰角变化速率最快，假设传播时延为10ms，可计算出多普勒频偏变化的最大值为2.8Hz(参考铱星相关参数)，该值相对于15KHz的载波间隔的归一化频偏为0.00018，可见该值是较小的。考虑地面终端以100km/h速度移动(如高速公路上行驶的汽车)时，可计算出最大多普勒频偏150Hz相对于15KHz的载波间隔的归一化频偏为0.01。
假设时域待发送数据为x(n)，接收端接收到的时域信号可以表示为：
Figure BDA0003630055560000091
其中，ε为归一化载波频偏，w(n)为加性高斯白噪声。对接收到的时域信号y(n)进行FFT操作得到：
Figure BDA0003630055560000092
其中，k＝0,1,...N-1，上式第二项为子载波间干扰，C(k-l)可以表示为：
Figure BDA0003630055560000093
从上式可知，当ε＝0时，C(k-l)＝δ(k-l)，则没有ICI；当ε≠0时，C(k-l)≠0，则会产生ICI。图2展示了不同归一化载波频偏下|C(k-l)|的分布，可见，ε值越大则子载波间干扰越大。
2)在上行传输开始阶段，地面合法用户Alice对待发送数据及人工噪声进行编码。为保证传输速率，Alice两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，其中s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，为了在收端能够区分两个符号，将θ设计为
Figure BDA0003630055560000101
n＝1,2。
假设合法通信链路信道为
Figure BDA0003630055560000102
和
Figure BDA0003630055560000103
则卫星Bob处两子载波接收信号分别为：
yu1＝H1(α1x+β1υ)+Nu1
yu2＝H2(α2x+β2υ)+Nu2
其中，
Figure BDA0003630055560000104
为人工噪声，
Figure BDA0003630055560000105
和
Figure BDA0003630055560000106
为加性高斯白噪声，而α1和α2、β1和β2为预编码向量。由于合法用户对每次发送的符号都添加了独立的人工噪声，使得窃听用户接收到的信号受到了随机干扰，且该干扰在不同发送符号时间上呈现独立变化，避免了窃听者实施盲信道估计的可能性。Bob将两个载波接收信号直接叠加，得到：
yu＝yu1+yu2
＝H1(α1x+β1υ)+Nu1+H2(α2x+β2υ)+Nu2
＝(H1α1+H2α2)x+(H1β1+H2β2)υ+(Nu1+Nu2)
令，
Figure BDA0003630055560000107
Figure BDA0003630055560000108
其中，
Figure BDA0003630055560000109
则，
Figure BDA00036300555600001010
其中，Nu＝Nu1+Nu2。可见，预编码向量α1和α2使得Alice在发端进行MRT发送，而预编码向量β1和β2使得Bob处接收信号不含人工噪声。对于a和b的值，可通过考虑单载波功率约束进行求解，即：
Figure BDA0003630055560000111
Figure BDA0003630055560000112
3)在接收信号并进行解码时，由于Bob已知合法链路CSI，则可利用最大似然接收，即：
Figure BDA0003630055560000113
对于地面窃听用户Eve而言，由于窃听用户可能位于合法用户的附近，导致卫星到窃听用户的CSI与合法链路的CSI具有一定相关性，假设Eve估计合法链路CSI为G1和G2，则G1和G2与H1和H2的关系可建模为，
Figure BDA0003630055560000114
Figure BDA0003630055560000115
其中，ρ∈[0,1)为相关系数，
Figure BDA0003630055560000116
和
Figure BDA0003630055560000117
为服从复高斯分布的随机扰动项。此时考虑对合法通信最不利的情况，即，Eve知道合法用户的编码方式及编码参数。在此最不利于合法通信的假设下，Eve可以基于G1和G2来估算合法用户的发送编码为：
Figure BDA0003630055560000118
Figure BDA0003630055560000119
其中，
Figure BDA00036300555600001110
假设合法用户到窃听节点的信道为
Figure BDA00036300555600001111
和
Figure BDA00036300555600001112
则Eve处两子载波接收信号分别为：
ye1＝F1(α1x+β1υ)+Ne1
ye2＝F2(α2x+β2υ)+Ne2
其中，
Figure BDA00036300555600001113
和
Figure BDA00036300555600001114
为加性高斯白噪声。若Eve主动地将ye1和ye2用加权参数γ1、γ2进行叠加ye＝γ1ye1+γ2ye2以消除人工噪声，则加权参数γ1、γ2应满足：
γ1βe1F1υ+γ2βe2F2υ＝0
Figure BDA0003630055560000121
Eve将两个载波接收信号直接叠加，得到：
ye＝γ1ye1+γ2ye2＝(γ1αe1F1+γ2αe2F2)x+Ne
其中，Ne＝γ1Ne1+γ2Ne2。消除掉人工噪声之后，Eve可利用最大似然接收，即：
Figure BDA0003630055560000122
若卫星到窃听用户的信道与合法信达统计独立，即ρ＝0，其无法获得合法链路CSI的任何信息，也无法对人工噪声进行消除，此时的解码可参考Bob解码方式进行解码，即：
Figure BDA0003630055560000123
其中，a||F||可利用
Figure BDA0003630055560000124
进行估计，L为用于估计的接收信号数量，
Figure BDA0003630055560000125
为发送数据x的平均幅度。
4)为了验证本发明提出的抗窃听上行传输方案的性能，实施例进行了如下仿真：
情况1：地面合法用户静止时，不考虑传输过程中子载波间干扰。由图3、图4、图5可见，合法接收卫星Bob的误码率随着SNR的增加逐渐降低，且a越大(即有用信号功率越大)时性能越好；当窃听用户再合法用户附近时，地面窃听用户Eve能够对合法链路CSI进行估计，误码率均高于0.2，且随着CSI估计准确性下降(即相关系数ρ减小)性能越差；当卫星到窃听用户的CSI与合法链路CSI统计独立时，地面窃听用户Eve无法获得合法链路CSI，误码率约为0.5。
情况2：地面合法用户以100km/h速度移动时，考虑子载波间干扰。由图6、图7、图8可见，合法接收卫星Bob的误码率随着SNR的增加逐渐降低，且a越大(即有用信号功率越大)时性能越好；地面窃听用户Eve在能够对合法链路CSI进行估计时，误码率最小值接近0.3，且随着CSI估计准确性下降(即相关系数ρ减小)性能越差。总体来看，考虑ICI时Bob和Eve的性能均差于不考虑ICI的情况。
因此，综上可知，本发明提出的基于人工噪声的卫星系统上行传输方法能有效抵抗地面窃听用户的窃听。
本发明另一实施例还提出一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输设备，包括：
编码模块，用于对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure BDA0003630055560000131
n＝1,2；
解码模块，用于根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。
本发明另一实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法。
示例性的，所述存储器中存储的指令可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在计算机可读存储介质中，并由所述处理器执行，以完成本发明基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机可读指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在服务器中的执行过程。
所述电子设备可以是智能手机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述电子设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述电子设备还可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器可以是中央处理单元(CentraL Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitaL SignaL Processor，DSP)、专用集成电路(AppLication Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieLd-ProgrammabLe Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是所述服务器的内部存储单元，例如服务器的硬盘或内存。所述存储器也可以是所述服务器的外部存储设备，例如所述服务器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure DigitaL,SD)卡，闪存卡(FLash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述服务器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机可读指令以及所述服务器所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要说明的是，上述模块单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、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。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，包括：
对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure FDA0003630055550000011
合法接收卫星根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。
2.根据权利要求1所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，上行传输过程利用OFDM多载波技术进行传输，利用下行的频偏估计值，在地面终端对待发送信号进行频偏预补偿操作；
假设时域待发送数据为x(n)，接收端接收到的时域信号表示为：
Figure FDA0003630055550000012
其中，ε为归一化载波频偏，w(n)为加性高斯白噪声；
对接收到的时域信号y(n)进行FFT操作得到：
Figure FDA0003630055550000013
其中，k＝0,1,...N-1，上式第二项为子载波间干扰，C(k-l)表示为：
Figure FDA0003630055550000021
当ε＝0时，C(k-l)＝δ(k-l)，则没有ICI；
当ε≠0时，C(k-l)≠0，则产生ICI，ε值越大则子载波间干扰越大。
3.根据权利要求1所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，假设合法通信链路信道为
Figure FDA0003630055550000028
和
Figure FDA0003630055550000029
则合法接收卫星处两子载波接收信号分别为：
yu1＝H1(α1x+β1υ)+Nu1
yu2＝H2(α2x+β2υ)+Nu2
式中，
Figure FDA0003630055550000022
为人工噪声，
Figure FDA0003630055550000023
和
Figure FDA0003630055550000024
为加性高斯白噪声，而α1和α2、β1和β2为预编码向量。
4.根据权利要求3所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，合法接收卫星接收直接叠加的两个载波接收信号，获得如下表达式：
yu＝yu1+yu2
＝H1(α1x+β1υ)+Nu1+H2(α2x+β2υ)+Nu2
＝(H1α1+H2α2)x+(H1β1+H2β2)υ+(Nu1+Nu2)
令，
Figure FDA0003630055550000025
Figure FDA0003630055550000026
其中，
Figure FDA0003630055550000027
则，
Figure FDA0003630055550000031
其中，Nu＝Nu1+Nu2；
预编码向量α1和α2使得地面合法用户在发射端进行MRT发送，而预编码向量β1和β2使合法接收卫星处接收信号不含人工噪声。
5.根据权利要求4所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，对于a和b的值，通过考虑单载波功率约束进行求解，计算表达式如下：
Figure FDA0003630055550000032
Figure FDA0003630055550000033
6.根据权利要求4所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，合法接收卫星利用最大似然接收数据的表达式如下：
Figure FDA0003630055550000034
假设地面窃听用户估计合法链路CSI为G1和G2，则G1和G2与H1和H2的关系建模为：
Figure FDA0003630055550000035
Figure FDA0003630055550000036
式中，ρ∈[0,1)为相关系数，
Figure FDA0003630055550000037
和
Figure FDA0003630055550000038
为服从复高斯分布的随机扰动项；考虑对合法通信最不利的情况，即地面窃听用户知道合法用户的编码方式及编码参数；在最不利于合法通信的假设下，地面窃听用户基于G1和G2来估算合法用户的发送编码为：
Figure FDA0003630055550000039
Figure FDA00036300555500000310
其中，
Figure FDA0003630055550000041
7.根据权利要求6所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，假设合法用户到窃听节点的信道为
Figure FDA0003630055550000042
和
Figure FDA0003630055550000043
则地面窃听用户处两子载波接收信号分别为：
ye1＝F1(α1x+β1υ)+Ne1
ye2＝F2(α2x+β2υ)+Ne2
其中，
Figure FDA0003630055550000044
和
Figure FDA0003630055550000045
为加性高斯白噪声；若地面窃听用户主动地将ye1和ye2用加权参数γ1、γ2进行叠加为ye＝γ1ye1+γ2ye2以消除人工噪声，则加权参数γ1、γ2满足：
γ1βe1F1υ+γ2βe2F2υ＝0
Figure FDA0003630055550000046
地面窃听用户将两个载波接收信号直接叠加得到：
ye＝γ1ye1＝γ2ye2＝(γ1αe1F1+γ2αe2F2)x+Ne
其中，Ne＝γ1Ne1+γ2Ne2。
8.根据权利要求7所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法，其特征在于，消除掉人工噪声之后，地面窃听用户利用最大似然接收，表达式如下，
Figure FDA0003630055550000047
若卫星到窃听用户的信道与合法信达统计独立，即ρ＝0，其无法获得合法链路CSI的任何信息，也无法对人工噪声进行消除，此时的解码参考合法接收卫星解码方式进行：
Figure FDA0003630055550000048
式中，a||F||利用
Figure FDA0003630055550000049
进行估计，L为用于估计的接收信号数量，
Figure FDA00036300555500000410
为发送数据x的平均幅度。
9.一种基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输设备，其特征在于，包括：
编码模块，用于对待发送数据及人工噪声进行编码，使两子载波均发送数据x＝θ1s1+θ2s2，s＝[s1,s2]T为QPSK符号，θ＝[θ1,θ2]为符号编码向量，将θ设计为
Figure FDA0003630055550000051
解码模块，用于根据已知合法链路CSI，利用最大似然接收信号并进行解码。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现如权利要求1至8中任意一项所述基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法。
CN202210486195.XA 2022-05-06 2022-05-06 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备 Active CN114884616B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210486195.XA CN114884616B (zh) 2022-05-06 2022-05-06 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210486195.XA CN114884616B (zh) 2022-05-06 2022-05-06 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114884616A true CN114884616A (zh) 2022-08-09
CN114884616B CN114884616B (zh) 2024-01-19

Family

ID=82674398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210486195.XA Active CN114884616B (zh) 2022-05-06 2022-05-06 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114884616B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106533496A (zh) * 2016-12-30 2017-03-22 西安交通大学 一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法
CN110880950A (zh) * 2019-11-13 2020-03-13 电子科技大学 Mimo系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法
CN111901794A (zh) * 2020-06-16 2020-11-06 西安交通大学 一种基于噪声分发的物理层安全传输方法
KR20210073240A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 한국과학기술원 인공 잡음을 활용한 보안 성능 향상 방법 및 장치
CN113395096A (zh) * 2021-06-24 2021-09-14 湖南国天电子科技有限公司 一种fdd系统中基于深度学习的物理层安全传输方法
US20210336707A1 (en) * 2018-08-10 2021-10-28 Intel Corporation Downlink signal and noise control to test user equipment performance requirements

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106533496A (zh) * 2016-12-30 2017-03-22 西安交通大学 一种基于干扰协作的不可靠中继全双工通信方法
US20210336707A1 (en) * 2018-08-10 2021-10-28 Intel Corporation Downlink signal and noise control to test user equipment performance requirements
CN110880950A (zh) * 2019-11-13 2020-03-13 电子科技大学 Mimo系统中人工噪声辅助矢量扰动预编码的安全传输方法
KR20210073240A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 한국과학기술원 인공 잡음을 활용한 보안 성능 향상 방법 및 장치
CN111901794A (zh) * 2020-06-16 2020-11-06 西安交通大学 一种基于噪声分发的物理层安全传输方法
CN113395096A (zh) * 2021-06-24 2021-09-14 湖南国天电子科技有限公司 一种fdd系统中基于深度学习的物理层安全传输方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FENG SHU、等: "Artificial-Noise-Aided Secure Multicast Precoding for Directional Modulation Systems", 《IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,》 *
张波;黄开枝;林胜斌;易鸣;陈亚军;: "MIMO异构网络中一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案", 电子与信息学报, no. 09 *
翟东、等: "AN 辅助的 WFＲFT 抗截获通信优化设计", 《弹箭与制导学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114884616B (zh) 2024-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fang et al. Guaranteeing wireless communication secrecy via a WFRFT-based cooperative system
CN108366026B (zh) 基于星座旋转的人工噪声的物理层安全传输方法
Darsena et al. Detection and blind channel estimation for UAV-aided wireless sensor networks in smart cities under mobile jamming attack
Jawhar et al. New low‐complexity segmentation scheme for the partial transmit sequence technique for reducing the high PAPR value in OFDM systems
US10911290B2 (en) Secure and efficient orthogonal frequency division multiplexing transmission system with disguised jamming
Davaslioglu et al. End-to-end autoencoder communications with optimized interference suppression
Lu et al. Physical-layer authentication based on channel phase responses for multi-carriers transmission
CN114884616B (zh) 基于人工噪声的卫星通信系统抗窃听上行传输方法及设备
Ni et al. PHY‐Aided Secure Communication via Weighted Fractional Fourier Transform
WO2023107067A1 (en) Channel-decomposition based adaptive physical layer security
Wu et al. Efficient decision-directed channel estimation for OFDM systems with transmit diversity
Kumar et al. An investigation of secret key generation for physical layer security using wavelet packets
Qi et al. Secure transmission via random quadrature spatial modulation
Tseng et al. Concatenated precoded OFDM for CFO effect mitigation
Yeh Space-frequency parallel transmitter diversity techniques for three pre-coded OFDM systems
Ma et al. Physical Layer Security Design for FDD IM-OTFS Transmissions based on Secure Mapping
Paul et al. A novel Block Bi‐diagonalization based pre‐coding scheme for bit error reduction in mutiple input multiple output‐orthogonal frequency division multiplexing
Leu et al. Security of Multicarrier Time-of-Flight Ranging
CN112600607A (zh) 一种双重全双工协作干扰抗窃听方法
Chitikena et al. Deep learning based channel estimation and secure data transmission using IEHO-DLNN and MECC algorithm in mu-MIMO OFDM System
Kim NBI spectral leakage mitigation based on compressed sensing in OFDM systems
Chen et al. Symbol Encryption and Placement Design for OQAM/FBMC Systems
He et al. Adaptive jamming suppression in coherent FFH system using weighted equal gain combining receiver over fading channels with imperfect CSI
Yang et al. Secure transmission technology based on direct modulation with random channel characteristics
CN114710231B (zh) 一种基于人工噪声的安全通信方法

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