CN115396009B - 一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，属于卫星通信技术领域，包括以下步骤：S1：对卫星与地面合法用户、干扰者间的信道进行建模，计算卫星收到的信号及其信干噪比；S2：构建最优卫星‑地面服务区域匹配问题，通过低复杂度匹配算法求解最优匹配；S3：利用变尺度法寻找最优波束指向角。本发明基于波束切换技术，先进行卫星与地面区域间的低复杂度匹配，在此基础上利用变尺度法搜索卫星最优波束指向角，以提高卫星接收信号质量。可以在低复杂度、低成本的条件下，解决由于卫星高度暴露的点波束造成的卫星与地面间链路脆弱，易受干扰攻击的问题。

Description

一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法。

背景技术

传统的卫星抗干扰攻击方法可以分为两大类，扩展频谱频段技术和天线抗干扰技术。扩展频谱频段技术是目前通信抗干扰技术的主流。根据扩频方式的不同，分为直接序列扩频、跳频等不同方式。直接序列扩频技术将信号淹没在噪声中，使敌方不易识别。跳频技术将信号在多个载波频率之间切换，躲避干扰。天线抗干扰技术主要包括自适应凋零和多波束天线等技术。自适应凋零技术通过改变天线的方向图，在干扰信号来向制造深度凋零来避免干扰。多波束天线自动将波束切换至卫星信号的频率需求范围。然而，卫星数量的增多大大增加了上述抗干扰方法的复杂度，对硬件和软件设计都提出了很高的要求，在集成电路中实现可靠通信面临着很多挑战，且上述方法都缺乏智能化，无法很好地应对干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低复杂度、低成本且卫星接收信号质量能达到一定要求的卫星抗干扰方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，包括以下步骤：

S1：对卫星与地面合法用户、干扰者间的信道进行建模，计算卫星收到的信号及其信干噪比；

S2：构建最优卫星-地面服务区域匹配问题，通过低复杂度匹配算法求解最优匹配；

S3：利用变尺度法寻找最优波束指向角。

进一步，所述步骤S1具体括以下步骤：

S11：建模卫星与地面合法用户、干扰者间的信道为h^UE，h^jam：

其中，N_t为地面合法用户、干扰者的天线数，ψ_t为发射角，d为天线间距高，λ为波长，ξ为雨衰，C_L代表自由空间损耗，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益；

S12：设共有L个地面区域，L个卫星，卫星m服务于地面区域n，每个地面区域距离中心r范围内随机分布有一个干扰者，地面区域合法用户与干扰者发送信号s(t)服从E[|s(t)|²]＝1，卫星m收到的信号表示为：

其中，P_n，P_k，P_i分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i的发射功率，分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i与卫星m之间的信道向量；w^UE，/>表示波束成形矩阵，使用最大比传输比算法计算，w＝h/||h||_F；n为加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；

S13：卫星m接收信号的信干噪比SINR为：

进一步，所述最优卫星-地面服务区域匹配问题为：

其中，α_m，n表示卫星m与地面区域n之间是否匹配，当第卫星m与地面区域n匹配时，α_m，n＝1，否则，α_m，n＝0。

进一步，所述通过低复杂度匹配算法求解最优匹配，具体包括以下步骤：

S21：输入初始匹配关系；

S22：计算所有地面区域对卫星的效用函数，求出偏好关系；

S23：每个地面区域按偏好顺序，向卫星提议建立连接；

S24：判断匹配价值是否提高，若否，返回步骤S23，若是，则接受地面区域提议，更新匹配；

S25：判断用户提议是否被接受或用户是否已向所有卫星提议，若否，返回步骤S23，若是，执行步骤S26；

S26：判断是否遍历完所有地面区域，若否，则返回步骤S23，若是，则执行步骤S27；

S27：判断匹配是否和循环初始匹配关系一直，若否，则更新并保存匹配关系，返回步骤S22，若是，则输出匹配关系。

进一步，将K个地面区域表示为将N个卫星表示为/>将N′个干扰者表示为/>假设卫星与地面间一对一的匹配结果为μ，表示如下：

μ(μ(i))∈i (8)

μ(k)表示与地面服务区域k匹配的卫星，μ(n)表示与卫星n匹配的地面区域；

令U_i，j为地面区域j与卫星i匹配时的效用函数，表示为：

其中，为干扰者对卫星i的干扰，为其它地面区域对卫星i的干扰；

对于给定的匹配μ，将匹配价值定义为：

表示干扰者对卫星i的干扰，/>为其它地面区域对卫星i的干扰；

根据效用函数和匹配价值，得出每个卫星与地面区域对彼此的严格线性偏好关系，k＞_nk′表示卫星n更偏好地面区域k，n＞_kn′表示地面区域k更偏好卫星n；

假设两种不同匹配结果μ和μ′，对于地面区域k∈κ和卫星n，有μ(k)＝n，μ′(k)＝n′，地面区域k的偏好关系表示为：

对于卫星地面区域k，/>有μ(n)＝k，μ′(n)＝k′，卫星n的偏好关系为：

对于如果n＞_kμ(k)，k＞_nμ(n)且μ(n)≠k，称为阻塞匹配对；如果匹配结果μ中没有阻塞对，则称为稳定匹配；

令表示所有与地面区域匹配的卫星，在将连接(k，n)加入匹配μ时，可能会出现三种情况：

a.匹配μ中，卫星n没有匹配到任何地面区域，可得：

μ^k，n＝μ∪(k，n)\(k，μ(k)) (13)

b.匹配μ中，卫星n已经匹配到其它地面区域且μ(k)≠n，可得：

μ^k，n＝μ∪(k，n)，(μ(n)，μ(k))\{(k，μ(k))，(μ(n)，n)} (14)

c.n＝μ(k)，可得：

μ^k，n＝μ (15)。

进一步，步骤s3中，变尺度法的迭代公式为：

α^k表示通过一维搜索得出的最优步长，H^k表示变尺度矩阵，令：

可得：

根据迭代过程进行一维搜索，求出每个卫星的最优波束指向角。

本发明的有益效果在于：本发明基于波束切换技术，先进行卫星与地面区域间的低复杂度匹配，在此基础上利用变尺度法搜索卫星最优波束指向角，以提高卫星接收信号质量。可以在低复杂度、低成本的条件下，解决由于卫星高度暴露的点波束造成的卫星与地面间链路脆弱，易受干扰攻击的问题。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为低复杂度的匹配算法流程图；

图2为卫星一对一服务地面区域示意图；

图3为本发明所述匹配算法在6个卫星和地面区域进行匹配下的表现情况示意图；

图4为卫星接收信号的最小SINR随不同卫星数量的变化情况图；

图5为卫星接收信号的最小SINR在不同卫星数量下的变化情况图。

具体实施方式

如图1～5所示，本发明提供了一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法。当检测到干扰攻击时，在卫星波束指向所匹配地面区域中心情况下，利用所提出的低复杂度匹配算法来实现卫星与地面区域间的一对一重新匹配，在此基础上，利用变尺度法调整卫星波束指向角，进一步提高卫星接收信号质量。

1)建模卫星与地面合法用户、干扰者间的信道为h^UE，h^jam：

其中，N_t为地面合法用户、干扰者的天线数，ψ_t为发射角，d为天线间距离，λ为波长，一般情况下，/>ξ为雨衰，根据ITU-RP.1853标准计算，C_L代表自由空间损耗，根据Friss自由空间方程进行计算，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益，分别根据ITU-R S.465，ITU-R S.1528标准计算。

假设共有L个地面区域，L个卫星，卫星m服务于地面区域n，每个地面区域距离中心r范围内随机分布有一个干扰者。设地面区域合法用户与干扰者发送信号s(t)服从E[|s(t)|²]＝1。卫星m收到的信号可以表示为：

其中，P_n，P_k，P_i分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i的发射功率，分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i与卫星m之间的信道向量。w^UE，/>表示波束成形矩阵，使用最大比传输比算法计算，w＝h/|h||_F。n为加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ²。

可以得出，卫星m接收信号的信干噪比(Signal to Interference plus NoiseRatio，SINR)为：

2)为了提高卫星接收信号的SINR，有效应对干扰者干扰，首先提出一个最优卫星、地面服务区域匹配问题，寻找两者间的最优匹配关系。

其中，α_m，n表示卫星m与地面区域n之间是否匹配。当第卫星m与地面区域n匹配时，α_m，n＝1，否则，α_m，n＝0。

设计一种低复杂度匹配算法来求解卫星与地面区域间的最优匹配：

将K个地面区域表示为将N个卫星表示为/>将N′个干扰者表示为/>它们来寻求最优的卫星-地面区域匹配μ，以此来最大化系统接收信号的最小SINR。

假设卫星与地面间一对一的匹配结果为μ，表示如下：

μ(μ(i))∈i (8)

μ(k)表示与地面服务区域k匹配的卫星，μ(n)表示与卫星n匹配的地面区域。

假设U_i，j为地面区域j与卫星i匹配时的效用函数，可以表示为：

其中，为干扰者对卫星i的干扰，为其它地面区域对卫星i的干扰。

对于给定的匹配μ，将匹配价值定义为：

表示干扰者对卫星i的干扰，/>为其它地面区域对卫星i的干扰。

根据效用函数和匹配价值，可以得出每个卫星与地面区域对彼此的严格线性偏好关系。k＞_nk′表示卫星n更偏好地面区域k，nμ_kn′表示地面区域k更偏好卫星n。

假设两种不同匹配结果μ和μ′，对于地面区域和卫星n，/>有μ(k)＝n，μ′(k)＝n′，地面区域k的偏好关系可以表示为：

对于卫星地面区域k，/>有μ(n)＝k，μ′(n)＝k′，卫星n的偏好关系为：

对于如果n＞_kμ(k)，k＞_nμ(n)且μ(n)≠k，也就是说k和n相对于原先μ中自己的匹配，更愿意彼此匹配，它们被称为阻塞匹配对。如果匹配结果μ中没有阻塞对，则称为稳定匹配。

令表示所有与地面区域匹配的卫星。在将连接(k，n)加入匹配μ时，可能会出现三种情况：

1.匹配μ中，卫星n没有匹配到任何地面区域，可得：

μ^k，n＝μ∪(k，n)\(k，μ(k)) (13)

2.匹配μ中，卫星n已经匹配到其它地面区域且μ(k)≠n，可得：

μ^k，n＝μ∪(k，n)，(μ(n)，μ(k))\{(k，μ(k))，(μ(n)，n)} (14)

3.n＝μ(k)，可得：

μ^k，n＝μ (15)

基于以上定义，可以设计低复杂度的匹配算法，算法流程如图1所示，算法分为两个阶段：

在第一阶段，地面区域计算对所有卫星的效用函数U_n，k(μ^k，n)，

在第二阶段，每个地面区域根据第一阶段的计算结果更新偏好关系，匹配卫星。如果匹配能使匹配价值增加，则接受该匹配，否则，拒绝。直到地面区域提出的匹配被接受或被所有卫星拒绝匹配。

一直进行以上两个阶段的循环迭代直至求出的匹配结果不再改变。

3)不同卫星波束指向角对应不同接收信号的离轴角，这可以改变卫星接收信号增益，进而改变接收信号的功率。因此，在卫星与地面区域获得最优匹配关系的基础上，每个卫星利用变尺度法寻找最优波束指向角，以提高接收信号的SINR。

变尺度法的迭代公式为：

α^k表示通过一维搜索得出的最优步长，H^k表示变尺度矩阵。令：

可得：

根据上述迭代过程进行一维搜索可以求出每个卫星的最优波束指向角。

如图2所示，卫星一对一服务地面区域，每个区域在距离地面区域中心r范围内随机分布有一个干扰者的场景下，本发明提供的基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法的效果。

本实例中假设卫星原本服务区域位于星下点的位置，干扰者具有和地面区域合法用户完全相同的能力，即天线制式以及发射功率皆相同。表1中列出了完整的仿真参数。

表1

参数	数值
		卫星高度	580km
载波频率	20Ghz
		卫星波束半径	25km
发射功率	45dBw
		最大发射增益	40dB
最大接收增益	35dB
		发射天线数	8
噪声带宽	500MHz
		噪声温度	100K
玻尔兹曼常量	-228.6dBW/K/Hz
		雨衰(均值、方差)	-3.125dB，1.591dB
干扰者分布范围r	10km

图3为本发明提供的匹配算法在6个卫星和地面区域进行匹配下的表现情况。可以看出，本发明提供的匹配算法可以在很少的迭代次数下，收敛到接近于穷举算法所得匹配的性能。并且卫星最差接收信号质量远优于没有进行卫星与地面区域重新匹配，以及卫星与地面区域随机匹配的情况。

图4为卫星接收信号的最小SINR随不同卫星数量的变化情况。可以看出，卫星接收信号质量随卫星数目增多而逐渐变好，且所提匹配算法能达到接近于穷举算法的性能，表现远优于随机匹配以及未重新匹配的情况。

图5为卫星接收信号的最小SINR在不同卫星数量下的变化情况。可以看出，在卫星数量较少时通过变尺度法寻找卫星最优波束指向角可以进一步提升卫星接收信号质量，获得更好的抗干扰性能。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：对卫星与地面合法用户、干扰者间的信道进行建模，计算卫星收到的信号及其信干噪比；

S2：构建最优卫星-地面服务区域匹配问题，通过低复杂度匹配算法求解最优匹配；所述最优卫星-地面服务区域匹配问题为：

其中，α_m,n表示卫星m与地面区域n之间是否匹配，当第卫星m与地面区域n匹配时，α_m,n＝1，否则，α_m,n＝0；

所述通过低复杂度匹配算法求解最优匹配，具体包括以下步骤：

S21：输入初始匹配关系；

S22：计算所有地面区域对卫星的效用函数，求出偏好关系；

S23：每个地面区域按偏好顺序，向卫星提议建立连接；

S24：判断匹配价值是否提高，若否，返回步骤S23，若是，则接受地面区域提议，更新匹配；

S25：判断用户提议是否被接受或用户是否已向所有卫星提议，若否，返回步骤S23，若是，执行步骤S26；

S26：判断是否遍历完所有地面区域，若否，则返回步骤S23，若是，则执行步骤S27；

S27：判断匹配是否和循环初始匹配关系一直，若否，则更新并保存匹配关系，返回步骤S22，若是，则输出匹配关系；

S3：利用变尺度法寻找最优波束指向角。

2.根据权利要求1所述的基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11：建模卫星与地面合法用户、干扰者间的信道为h^UE，h^jam：

其中，N_t为地面合法用户、干扰者的天线数，ψ_t为发射角，d为天线间距离，λ为波长，ξ为雨衰，C_L代表自由空间损耗，G_t为发射天线增益，G_r为接收天线增益；

S12：设共有L个地面区域，L个卫星，卫星m服务于地面区域n，每个地面区域距离中心r范围内随机分布有一个干扰者，地面区域合法用户与干扰者发送信号s(t)服从E[|s(t)|²]＝1，卫星m收到的信号表示为：

其中，P_n,P_k,P_i分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i的发射功率，分别为地面合法用户n，地面合法用户k，干扰者i与卫星m之间的信道向量；表示波束成形矩阵，使用最大比传输比算法计算，w＝h/||h||_F；n为加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ²；

S13：卫星m接收信号的信干噪比SINR为：

3.根据权利要求1所述的基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，其特征在于：将K个地面区域表示为将N个卫星表示为/>将N'个干扰者表示为假设卫星与地面间一对一的匹配结果为μ，表示如下：

μ(μ(i))∈i (8)

μ(k)表示与地面服务区域k匹配的卫星，μ(n)表示与卫星n匹配的地面区域；

令U_i,j为地面区域j与卫星i匹配时的效用函数，表示为：

其中，为干扰者对卫星i的干扰，为其它地面区域对卫星i的干扰；

对于给定的匹配μ，将匹配价值定义为：

表示干扰者对卫星i的干扰，/>为其它地面区域对卫星i的干扰；

根据效用函数和匹配价值，得出每个卫星与地面区域对彼此的严格线性偏好关系，k＞_nk'表示卫星n更偏好地面区域k，n＞_kn'表示地面区域k更偏好卫星n；

假设两种不同匹配结果μ和μ'，对于地面区域和卫星/>有μ(k)＝n，μ'(k)＝n'，地面区域k的偏好关系表示为：

对于卫星地面区域k,/>有μ(n)＝k，μ'(n)＝k'，卫星n的偏好关系为：

对于如果n＞_kμ(k)，k＞_nμ(n)且μ(n)≠k，称为阻塞匹配对；如果匹配结果μ中没有阻塞对，则称为稳定匹配；

令表示所有与地面区域匹配的卫星，在将连接(k,n)加入匹配μ时，可能会出现三种情况：

a.匹配μ中，卫星n没有匹配到任何地面区域，可得：

b.匹配μ中，卫星n已经匹配到其它地面区域且μ(k)≠n，可得：

μ^k,n＝μ∪(k,n),(μ(n),μ(k))\{(k,μ(k)),(μ(n),n)} (14)

c.n＝μ(k)，可得：

μ^k,n＝μ (15)。

4.根据权利要求1所述的基于波束切换与优化的卫星抗干扰方法，其特征在于：步骤S3中，变尺度法的迭代公式为：

α^k表示通过一维搜索得出的最优步长，H^k表示变尺度矩阵，令：

可得：

根据迭代过程进行一维搜索，求出每个卫星的最优波束指向角。