CN116054961A - 一种异构网络下的物理层保密传输方法 - Google Patents

一种异构网络下的物理层保密传输方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116054961A
CN116054961A CN202310057268.8A CN202310057268A CN116054961A CN 116054961 A CN116054961 A CN 116054961A CN 202310057268 A CN202310057268 A CN 202310057268A CN 116054961 A CN116054961 A CN 116054961A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aerial vehicle
unmanned aerial
fso
link
signal
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.)
Pending
Application number
CN202310057268.8A
Other languages
English (en)
Inventor
徐冠军
王旭晖
贺锦宇
高敏
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.)
East China Normal University
Original Assignee
East China Normal 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 East China Normal University filed Critical East China Normal University
Priority to CN202310057268.8A priority Critical patent/CN116054961A/zh
Publication of CN116054961A publication Critical patent/CN116054961A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • H04B10/85—Protection from unauthorised access, e.g. eavesdrop protection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/18502—Airborne stations
    • H04B7/18506—Communications with or from aircraft, i.e. aeronautical mobile service
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18519—Operations control, administration or maintenance
    • 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)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种异构网络下的物理层保密传输方法，其特点是该方法具体包括：构建通用的卫星‑无人机中继‑地面用户的FSO/RF双跳异构下行网络进行信号传输；无人机中继对卫星所发射的FSO信号进行解码转发，并通过光电转换将FSO信号转化为RF信号发送给地面用户；计算FSO/RF双跳异构下行网络的保密中断概率，若信道容量差值大于固定阈值，则系统能够实现保密传输，反之则不能实现保密传输。本发明与现有技术相比具有提高合法用户链路的信道容量，提升系统保密性能，降低系统的保密中断概率和频谱资源消耗，增加了合法信道的信道容量等优点，对于实际应用具有重大意义，较好的解决了频谱资源消耗问题。

Description

一种异构网络下的物理层保密传输方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种异构网络下的物理层保密传输方法。
背景技术
由卫星、高空平台和地面用户组成的空天地一体化网络(SAGIN)因其强大的通信能力、无处不在的信号覆盖能力和针对多节点的接入能力等优点而受到相当多的关注。SAGIN被认为是第六代(6G)移动通信技术的重要补充，并已被应用在应急通信、全球观测、智能交通系统、导航等多种领域。
自适应调制、自适应传输、机会调度等多种新兴技术均被用于SAGIN系统，以提升系统性能并实现射频(RF)设备的海量接入。然而，射频技术的广播特性使得窃听者可以从合法链路上截获和解密更多的射频信号。针对窃听问题，虽然已经开发了许多基于开放互联模型上层的加密技术来阻止窃听者解密信号，但窃听者仍然可以从物理层捕获信号并获得信息。因此，物理层安全性能是SAGIN系统的一个重要性能指标。
非正交多址接入(NOMA)技术具有可减少频谱资源消耗，实现远、近用户间的通信公平性等优点，能够提升系统性能，在SAGIN系统的物理层安全方面得到了广泛的应用。此外，由于自由空间光(FSO)通信技术有着保密性好、无需授权等优点。越来越多的研究将FSO通信技术应用于SAGIN系统，构建RF/FSO、FSO/RF异构网络。然而，现有针对FSO/RF双跳下行异构网络的物理层安全研究中，大多仅考虑窃听者存在于射频传输链路部分。事实上，卫星和无人机中继之间的远距离光通信链路也可能被窃听者窃取信息。当窃听者能够实现快速解码时，极有可能出现光通信链路遭受窃听的情况。
综上所述，实际中射频和光通信链路上均存在窃听者的场景对于异构网络的物理层安全是一个重大的考验。此时，仅考虑单一链路上存在窃听者的FSO/RF双跳下行异构网络的实用性将大大降低。同时，当非正交多址接入(NOMA)技术应用在FSO/RF双跳下行异构网络中时，传输信号中包含有多个地面用户的信息，物理层安全问题备受重视。因此，实际FSO/RF双跳下行异构网络中两段链路均存在窃听者的场景值得深入关注。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种异构网络下的物理层保密传输方法，
采用NOMA技术，为SAGIN系统设计了一种无人机辅助的FSO/RF双跳下行异构网络系统的保密中断概率表达式，且考虑了指向误差、窃听信噪比、阈值信噪比、接收方式等因素对于系统保密性能的影响，将常用的单链路窃听模型升级为了两段链路均存在窃听者的模型，该方法通过应用FSO通信技术降低了频谱资源消耗，提升了系统保密性能，同时也通过应用NOMA技术，增加了合法信道的信道容量，降低了保密中断概率，对于实际应用具有重大意义。
本发明的目的是这样实现的：一种异构网络下的物理层保密传输方法，其特点是该物理层保密传输方法具体包括以下步骤：
步骤1、构建通用的卫星-无人机中继-地面用户的自由空间光(FSO)/射频(RF)双跳异构网络传输模型，采用非正交多址接入(NOMA)技术进行信号传输，考虑在信号传输过程中存在两个窃听者分别对FSO链路、RF链路信号进行窃听的情况。
步骤2、在所构建的FSO/RF双跳异构下行网络中进行信号传输，无人机作为中继对卫星所发射的FSO信号进行解码转发(DF)，并通过光电转换将FSO信号转化为RF信号发送给地面用户，信号传输的具体步骤如下：
2.1、由卫星获取地面用户的信道状态信息，确定对地面用户的发射功率。为实现通信的公平性，卫星给予信道质量较差的用户(远用户)较大的发射功率，给予信道质量较好的用户(近用户)较小的发射功率，构建需要传输的NOMA信号。
2.2、卫星与无人机中继节点建立连接，运用FSO通信技术发送NOMA信号给无人机中继。同时，窃听者一在无人机中继附近窃听信息并进行解码。无人机中继节点配备有光接收机、RF信号发射机以及光电转换所需的硬件与软件。窃听者一配备有光接收机及FSO信号对应的解码设备。
2.3、无人机中继将接收到的光信号进行解码转发，通过光电转换发送RF信号给地面的远、近用户。近用户从叠加的NOMA信号中通过串行干扰消除技术解调出自己所需的信息，远用户将功率较小的近用户信号视为噪声，直接解调出所需信号。同时，窃听者二对RF链路进行窃听并解码。地面用户及窃听者二都具有RF信号接收机及对应的解码设备。
步骤3、计算FSO/RF双跳下行异构网络的保密中断概率，保密中断概率是合法信道的信道容量与窃听信道容量的差值大于固定阈值的概率，若信道容量差值大于固定阈值，则认为系统能够实现保密传输，若否则不能实现保密传输。
本发明考虑了不同链路均存在窃听者的情况，通过应用FSO通信技术降低了频谱资源消耗，提升了系统保密性能，同时也通过应用NOMA技术，增加了合法信道的信道容量，降低了保密中断概率。
本发明应用于卫星，无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者，其具体方案如下：
构建SAGIN系统中的基于NOMA的FSO/RF双跳下行异构网络，具体包括：一个卫星S，一个无人机中继R，一个近用户D1，一个远用户D2，两个非法窃听者E1和E2。卫星通过无人机中继将NOMA信号发送给地面用户，由于雨、雪、雾等因素，卫星和地面用户之间不存在直接链路。卫星-无人机链路和无人机-地面用户链路的信号分别被中继和地面用户周围的窃听者所窃听。在第一个时隙中，无人机中继接收卫星通过FSO技术发送的信号，同时，FSO信号也被窃听者E1所窃听。在第二个时隙中，无人机中继通过解码转发(DF)协议将RF信号发射给地面用户，即近用户D1和远用户D2。在此期间，窃听者E2拦截无人机中继和地面用户之间的射频信号。为了进一步平衡R-D1链路和R-D2链路的通信公平性，本发明采用了NOMA技术。本发明考虑两个窃听者E1和E2相距较远且工作频率不同，因此相互独立地窃听信息。
本发明考虑到Málaga分布模型在所有湍流条件下(从弱到强)都具有广泛适用性和高准确度，将FSO链路的衰落信道被建模为Málaga分布。因此，S-R和S-E1链路信噪比(SNR)的概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF)由下述(a)～(b)式表示为：
Figure BDA0004060715860000031
Figure BDA0004060715860000032
其中，
Figure BDA0004060715860000033
Figure BDA0004060715860000034
Figure BDA0004060715860000035
Figure BDA0004060715860000036
Figure BDA0004060715860000037
其中，
Figure BDA0004060715860000038
为
Figure BDA0004060715860000039
链路的平均信噪比，
Figure BDA00040607158600000310
Figure BDA00040607158600000311
是与散射过程大尺度单元有效数量正相关的参数，
Figure BDA00040607158600000312
是表示衰减参数数量的自然数。
Figure BDA00040607158600000313
和
Figure BDA00040607158600000314
的值反映了大气湍流的条件，两个参数的值越小，表示大气湍流对信号传输的不利影响越严重。
Figure BDA00040607158600000315
表示离轴涡流接收散射分量的平均功率。
Figure BDA0004060715860000041
表示总散射分量的平均功率，
Figure BDA0004060715860000042
表示耦合到视距(LOS)分量的散射功率，满足条件
Figure BDA0004060715860000043
表示相干项的平均功率。其中，
Figure BDA0004060715860000044
是LOS分量的平均功率，
Figure BDA0004060715860000045
和
Figure BDA0004060715860000046
分别是LOS和耦合到LOS的散射项的相位。此外，
Figure BDA0004060715860000047
表示等效波束宽度与接收机指向误差的标准差之比。
另外，r为FSO链路所使用的检测技术，其中r＝1为外差检测，r＝2为IM/DD技术。符号
Figure BDA0004060715860000048
表示Meijer G函数。此外,
Figure BDA0004060715860000049
Figure BDA00040607158600000410
考虑阴影莱斯分布能够准确刻画阴影条件对空-地信道的影响，本发明将RF链路建模为阴影莱斯分布，RF链路上阴影莱斯衰落信道的PDF和CDF由下述(c)～(d)式表示为：
Figure BDA00040607158600000411
Figure BDA00040607158600000412
其中，ψ∈{D1,D2,E2}，
Figure BDA00040607158600000413
l∈{0,1,2}分别代表R-D1,R-E2和R-D2链路。
Figure BDA00040607158600000414
代表R-ψ链路的平均信噪比，Ωl是LOS分量的平均功率，2bl代表散射分量的平均功率，1F1(·,·,·)为第一类合流超几何函数，ml是代表信道衰落严重程度的参数。Γ(x)是Gamma函数，Γ(s,x)为不完全Gamma函数。
根据对系统的描述，整个通信过程可以分为两个时隙。在第一个时隙，卫星S发射信号x(t)，并被无人机中继R接收，x(t)满足E[|x(t)|2]＝1，其中E[·]是期望函数。本发明采用NOMA技术，x(t)可以表示为
Figure BDA00040607158600000415
其中，x1(t)和x2(t)分别表示需要传输给D1和D2的信号。
Figure BDA00040607158600000416
和
Figure BDA00040607158600000417
为满足a1+a2＝1的功率分配因子。本发明假设R-D1链路的信道质量比R-D2链路的信道质量更好。为保证D1和D2之间的用户公平性，系统将更多的功率分配给D2，即a1<a2。因此，在无人机中继处接收到的信号可以由下述(e)式表示为：
Figure BDA00040607158600000418
其中，Ps为卫星的发射功率，η代表电光转换系数，hSR为卫星-无人机中继(即S-R)链路的信道系数，服从Málaga分布。nSR(t)为S-R链路的加性高斯白噪声(AWGN)，服从均值为0，方差为σSR 2的正态分布。
因此，在无人机中继处接收到x(t)的瞬时信噪比可由下述(f)式表示为：
Figure BDA0004060715860000051
同时，窃听者E1接收到的信号可由下述(g)式表示为：
Figure BDA0004060715860000052
其中，hSE1为S-E1链路的信道系数，服从Málaga分布。nSE1(t)为S-E1链路的AWGN，服从均值为0，方差为σSE1 2的正态分布。
因此，在窃听者E1处的瞬时信噪比可由下述(h)式表示为：
Figure BDA0004060715860000053
在第二个时隙，无人机中继R将解码后的x(t)转发给地面用户D1和D2。因此，D1和D2接收到的信号可以由下述(i)～(j)式表示为：
Figure BDA0004060715860000054
Figure BDA0004060715860000055
其中，PR为无人机中继的发射功率R。hRD1和hRD2分别为R-D1链路和R-D2链路的信道衰落系数。由于无人机中继的广泛覆盖性，阴影莱斯分布被用于刻画阴影和遮蔽对于R-D1，R-D2和R-E2链路的影响。nRD1(t)和nRD2(t)表示D1和D2处的AWGN，服从均值为0、方差分别为σRD1 2和σRD2 2的正态分布。
由于本发明采取了NOMA技术，当近端用户D1接收到信号x(t)时，需要使用串行干扰消除(SIC)技术获取所需信号：首先解码x2(t)，然后从NOMA信号中去除x2(t)。之后，从剩余的信号中解码x1(t)。因此，用户D1处x2(t)和x1(t)的信干噪比(SINR)可由下述(k)～(l)式表示为：
Figure BDA0004060715860000056
Figure BDA0004060715860000057
其中，
Figure BDA0004060715860000061
代表R-D1链路的瞬时信噪比。
当远端用户D2接收到信号，D2通过将x1(t)视为噪声直接解码出x2(t)，因为x2(t)的功率远大于x1(t)的功率。因此，D2处的SINR由下述(m)式表示为：
Figure BDA0004060715860000062
其中，
Figure BDA0004060715860000063
代表R-D2链路的瞬时信噪比。
对于在RF链路上截获信息的窃听者E2，接收到的信号可由下述(n)式表示为：
Figure BDA0004060715860000064
其中，nRE2(t)代表E2处的AWGN，服从均值为0，方差为σRE2 2的正态分布；hRE2为R-E2链路的信道衰落系数，服从阴影莱斯分布。
窃听者E2同样使用串行干扰消除技术解码信号，在E2处x1(t)和x2(t)的SINR可由下述(o)～(p)式表示为：
Figure BDA0004060715860000065
Figure BDA0004060715860000066
其中，
Figure BDA0004060715860000067
代表R-E2链路的瞬时信噪比。
在物理层安全领域，保密容量被定义为用户的信道容量与窃听者的信道容量之差，对于卫星-无人机中继和无人机中继-地面用户链路，其保密容量可由下述(q)～(r)式表示为：
CSR＝max[CR-CE1,0] (q)；
CRD,p＝max[Cp-CE2,p,0] (r)。
其中，CR，CE1，Cp和CE2,p分别代表S-R，S-E1，R-Dp和R-E2链路的信道容量，p∈{1,2}。这些参数可被进一步表示为：CR＝log2(1+XSR)，CE1＝log2(1+XSE1)，
Figure BDA0004060715860000068
和
Figure BDA0004060715860000069
当p＝1时，Cp表示R-D1链路的信道容量，当p＝2时，Cp表示R-D2链路的信道容量。
保密中断概率(SOP)被定义为瞬时保密容量低于阈值的概率，是通信系统物理层安全性能研究中不可缺少的指标，由SOP的定义，可给出所构建系统的整体SOP由下述(s)式表达为：
SOPNOMA＝1-P(CSR≥Rs)P(CRD,1≥Rs)P(CRD,2≥Rs) (s)。
显然，SOPNOMA由P(CSR≥Rs)、P(CRD,1≥Rs)和P(CRD,2≥Rs)三个部分决定，下面对这三个部分进行详细的推导。
根据SOP定义，P(CSR≥Rs)可由下述(t)式表示为：
Figure BDA0004060715860000071
其中，γ0代表信噪比阈值，满足关系式
Figure BDA0004060715860000072
该公式的闭式表达式难以被直接计算，因为积分部分包含了多项式幂的复杂积分，令ω＝γ0+1，可将P(CSR≥Rs)简化为下述(u)式表示为：
Figure BDA0004060715860000073
代入S-R，S-E1链路的瞬时信噪比的PDF，经过部分积分运算，可得到下述(v)式：
Figure BDA0004060715860000074
同样，对P(CRD,1≥Rs)进行简化可得到下述(w)式：
Figure BDA0004060715860000075
代入R-D1，R-E2链路的瞬时信噪比的PDF，经过部分积分运算及化简，可得到下述(x)式：
Figure BDA0004060715860000076
P(CRD,2≥Rs)也可简化为下述(y)式：
Figure BDA0004060715860000081
代入R-D2，R-E2链路的瞬时信噪比的PDF，经过部分积分运算及化简，可得到下述(z)式：
Figure BDA0004060715860000082
其中，受T积分项的奇异点影响，难以得到其闭式结果。因此，使用高斯-切比雪夫积分将该积分转换为有限项的和，经过数学运算，得到下述公式(1)T的近似表达式：
Figure BDA0004060715860000083
其中，wq为高斯权重，xq为勒让德多项式的第q个零点。
将T的表达式代入可得下述公式(2)P(CRD,2≥Rs)的表达式：
Figure BDA0004060715860000084
将P(CSR≥Rs)，P(CRD,1≥Rs)和P(CRD,2≥Rs)三部分的表达式代入可得下述公式(3)SOPNOMA的最终表达式：
Figure BDA0004060715860000091
本发明与现有技术相比具有提高合法用户链路的信道容量，降低系统的保密中断概率，通过应用FSO通信技术降低了频谱资源消耗，提升了系统保密性能，同时也通过应用NOMA技术，增加了合法信道的信道容量，降低了保密中断概率，对于实际应用具有重大意义，较好的解决了频谱资源消耗问题。
附图说明
图1为本发明构建的系统结构示意图；
图2为本发明实现流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种异构网络下的物理层保密传输策略，使用NOMA技术来提升SAGIN系统中的FSO/RF双跳下行异构网络的保密性能，并考虑了两段链路均存在窃听者的实际情况。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面以应用于卫星、无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参阅图1，本发明架构的系统包括：卫星、无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者。其中，卫星通过FSO链路向无人机中继发射FSO信号，在此过程中窃听者一对传输信号进行窃听。无人机中继在接收到FSO信号之后，通过解码转发协议发射RF信号给地面用户，在此过程中窃听者二对RF信号进行窃听。Málaga和阴影莱斯信道模型分别被用于描述卫星-无人机中继和无人机中继-地面用户链路的信道衰落。
参阅图2，本发明的信号传输过程具体包括下述步骤：
步骤S101：卫星获取地面用户的信道状态信息，确定对地面用户的发射功率。
卫星作为信号源，先获取地面用户的信道状态信息，决定远、近用户的发射功率，给予信道质量较差的用户(远用户)较大的发射功率，给予信道质量较好的用户(近用户)较小的发射功率，构造NOMA信号。
步骤S102：卫星通过自由空间光通信技术向无人机中继节点发送NOMA信号，FSO信道服从Málaga分布。
卫星与无人机中继建立通信，通过自由空间光通信技术向无人机中继发送NOMA信号。卫星-无人机中继链路服从Málaga分布，以适用于不同的大气湍流情况，并考虑瞄准误差对信号传输的影响。
步骤S103：与步骤S102同时，窃听者一在卫星向无人机中继发送光信号时进行窃听。
由于光信号传输具有需要对准光接收机的特点，窃听者一存在于无人机中继附近，并配备有光接收机对卫星-无人机中继链路的光信号进行窃听。
步骤S104：无人机中继对接收到的光信号进行解码，得到NOMA信号，之后进行光电转换，将光信号转换为RF信号向地面用户进行转发。地面的远、近用户接收到无人机中继所转发的RF信号，通过串行干扰消除技术解调出自己所需的信号。
无人机中继接收光信号，对其进行解码，之后通过光电转换设备将光信号转换为RF信号，分别向远、近用户进行转发。为了刻画空对地信道模型中的阴影和遮蔽对于信号传输的影响，无人机中继-地面用户链路采用阴影莱斯衰落模型。对于近用户而言，远用户信号功率较大，所以应当先从NOMA信号中解调出远用户信号，将其消除后，从剩余部分中解调出近用户信号；对于远用户而言，近用户信号功率较小，可视为噪声，从NOMA信号中直接解调出远用户信号。
步骤S105：与步骤S104同时，窃听者二在无人机中继向地面远、近用户发送RF信号时进行窃听。
由于RF传输具有广播特性，窃听者二的位置没有严格限制，配备有可接收RF信号并能够进行串行干扰消除的软件及硬件。
本发明提供一种异构网络下的物理层保密传输策略，应用于卫星，无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者。其中卫星借由FSO技术通过Málaga信道向无人机中继节点发送NOMA信号；无人机中继节点接收FSO信号，进行解码，并将其转换为RF信号，与此同时，窃听者一对FSO链路上的信号进行窃听；之后，无人机中继向地面用户分别转发RF信号，与此同时，窃听者二对RF信号进行窃听。本发明的传输策略适用于异构网络下的物理层保密传输，用以提高合法用户链路的信道容量，降低系统的保密中断概率，解决频谱资源消耗问题。

Claims (5)

1.一种异构网络下的物理层保密传输方法，其特征在于，该物理层保密传输方法具体包括下述步骤：
步骤1、构建通用的卫星-无人机中继-地面用户的自由空间光（FSO）/射频（RF）双跳异构下行网络传输模型，采用非正交多址接入（NOMA）技术进行信号传输；
步骤2、在上述所构建的FSO/RF双跳异构下行网络中进行信号传输，无人机作为中继对卫星所发射的FSO信号进行解码转发（DF），并通过光电转换将FSO信号转化为RF信号发送给地面用户；
步骤3、计算FSO/RF双跳异构下行网络的保密中断概率，所述保密中断概率是合法信道的信道容量与窃听信道容量的差值大于固定阈值的概率，若信道容量差值大于固定阈值，则认为系统能够实现保密传输，若否则不能实现保密传输。
2.根据权利要求1所述的异构网络下的物理层保密传输方法，其特征在于，所述步骤2的信号传输具体包括下述步骤：
2.1、构建需要传输的NOMA信号
由卫星获取地面用户的信道状态信息，确定卫星给予地面的远用户较大的发射功率，近用户较小的发射功率，构建需要传输的NOMA信号；
2.2、卫星与无人机中继节点建立连接
运用FSO通信技术发送NOMA信号给无人机中继节点，同时，窃听者一在无人机中继节点附近窃听信息并进行解码，所述无人机中继节点配备有光接收机、RF信号发射机以及光电转换所需的硬件与软件；所述窃听者一配备有光接收机及FSO信号对应的解码设备；
2.3、无人机中继将接收到的光信号进行解码转发
通过光电转换发送RF信号给地面的远、近用户，近用户从叠加的NOMA信号中通过串行干扰消除技术解调出自己所需的信息，远用户将功率较小的近用户信号视为噪声，直接解调出所需信号；同时，窃听者二对RF链路进行窃听并解码，地面用户及窃听者二都具有RF信号接收机及对应的解码设备。
3.根据权利要求1所述的异构网络下的物理层保密传输方法，其特征在于，所述步骤3的保密中断概率计算是将系统的保密中断概率分解为：卫星-无人机中继链路部分的保密中断概率、无人机中继-近用户链路部分的保密中断概率和无人机中继-远用户链路部分的保密中断概率三部分，当其中任一部分发生保密中断现象时，则认为整个系统发生保密中断现象。
4.根据权利要求2所述的异构网络下的物理层保密传输方法，其特征在于，所述卫星与无人机中继节点链路、卫星-窃听者一链路服从Málaga分布，无人机中继-地面用户链路、无人机中继-窃听者二链路采用阴影莱斯分布模型。
5.根据权利要求2所述的异构网络下的物理层保密传输方法，其特征在于，所述步骤2运用FSO通信技术发送NOMA信号给无人机中继节点，FSO链路与RF链路均存在窃听者的场景，具体包括：在卫星-无人机中继链路上传输信号时，存在窃听者一对FSO链路的传输信号进行窃听；在无人机中继进行解码转发之后，存在窃听者二对RF链路中的无人机中继-地面用户链路进行窃听。
CN202310057268.8A 2023-01-16 2023-01-16 一种异构网络下的物理层保密传输方法 Pending CN116054961A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310057268.8A CN116054961A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种异构网络下的物理层保密传输方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310057268.8A CN116054961A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种异构网络下的物理层保密传输方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116054961A true CN116054961A (zh) 2023-05-02

Family

ID=86125344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310057268.8A Pending CN116054961A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种异构网络下的物理层保密传输方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116054961A (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110730494A (zh) * 2019-10-17 2020-01-24 哈尔滨工业大学 最大化无人机下行非正交多址noma移动用户最小安全速率的功率优化方法
CN113193891A (zh) * 2021-04-21 2021-07-30 北京航空航天大学 一种下行非正交多址无人机系统物理层安全认证方法
CN114257299A (zh) * 2022-01-16 2022-03-29 中国人民解放军空军工程大学 一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法
CN114531188A (zh) * 2022-02-24 2022-05-24 重庆大学 基于非正交多址的星地融合网络缓存方法
CN114615672A (zh) * 2022-03-07 2022-06-10 西北工业大学 一种基于统计信息的协作物理层安全增强方法
CN115001560A (zh) * 2022-04-13 2022-09-02 华东师范大学 一种基于功率域非正交多址接入的星地融合中继网络传输方法
CN115085792A (zh) * 2022-05-31 2022-09-20 华东师范大学 一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110730494A (zh) * 2019-10-17 2020-01-24 哈尔滨工业大学 最大化无人机下行非正交多址noma移动用户最小安全速率的功率优化方法
CN113193891A (zh) * 2021-04-21 2021-07-30 北京航空航天大学 一种下行非正交多址无人机系统物理层安全认证方法
CN114257299A (zh) * 2022-01-16 2022-03-29 中国人民解放军空军工程大学 一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法
CN114531188A (zh) * 2022-02-24 2022-05-24 重庆大学 基于非正交多址的星地融合网络缓存方法
CN114615672A (zh) * 2022-03-07 2022-06-10 西北工业大学 一种基于统计信息的协作物理层安全增强方法
CN115001560A (zh) * 2022-04-13 2022-09-02 华东师范大学 一种基于功率域非正交多址接入的星地融合中继网络传输方法
CN115085792A (zh) * 2022-05-31 2022-09-20 华东师范大学 一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIN QU等: "UAV-Assisted RF/FSO Relay System for Space-Air-Ground Integrated Network: A Performance Analysis", IEEE, vol. 21, no. 8, 8 February 2022 (2022-02-08), XP011917377, DOI: 10.1109/TWC.2022.3147823 *
SWAMINATHAN R等: "Performance Analysis of HAPS-Based Relaying for Hybrid FSO/RF Downlink Satellite Communication", 2020 IEEE 91ST VEHICULAR TECHNOLOGY COFERENCE, 30 June 2020 (2020-06-30), pages 1 - 5 *
丁青锋等: "非理想CSI下全双工双向中继网络安全性能研究", 《计算机工程与应用》, no. 19, 17 September 2019 (2019-09-17) *
徐玺贺等: "卫星通信网络基于保密中断概率最小化的功率分配方案", 《移动通信》, no. 7, 15 July 2018 (2018-07-15) *
徐鑫等: "NOMA系统中基于协作干扰的物理层安全方案", 《信号处理》, no. 6, 25 June 2017 (2017-06-25) *
王丹阳等: "非理想CSI下DF与RF中继SIMO系统保密中断性能分析", 《中国科学：信息科学》, no. 7, 20 July 2016 (2016-07-20) *
赵龙;梁涛;安康;王静静;周权;王峻伟;: "基于 NOMA 的星地协作网络性能分析", 通信技术, no. 03, 10 March 2020 (2020-03-10), pages 0 - 5 *
颉满刚;贾向东;周猛;杨小蓉;韩聪慧;: "双跳中继协作异构网络中断概率分析", 计算机工程, no. 04, 4 April 2018 (2018-04-04) *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Physical-layer security in space information networks: A survey
Kong et al. Multiuser scheduling for asymmetric FSO/RF links in satellite-UAV-terrestrial networks
Erdogan et al. Site diversity in downlink optical satellite networks through ground station selection
Yang et al. Performance of mixed RF/FSO with variable gain over generalized atmospheric turbulence channels
CN114257299B (zh) 一种无人机非正交多址网络可靠安全传输方法
Bankey et al. Improving secrecy performance of land mobile satellite systems via a UAV friendly jammer
Tan et al. Addressing spectrum efficiency through hybrid-duplex UAV communications: Challenges and opportunities
Porte et al. Design, implementation, and test of an SDR for NVIS communications
Yahia et al. Optical satellite eavesdropping
Bankey et al. Physical layer secrecy of NOMA-based hybrid satellite-terrestrial relay networks
Nguyen et al. Short packet communications for cooperative UAV-NOMA-based IoT systems with SIC imperfections
Abdelsalam et al. Physical layer security in satellite communication: State-of-the-art and open problems
Singh et al. The role of physical layer security in satellite-based networks
CN112118150B (zh) 一种基于卫星互联网的在轨测试方法和系统
CN105429717B (zh) 一种卫星通信感知频谱技术中的能量检测方法
Chu et al. Spectrum-energy efficiency tradeoff in decode-and-forward two-way multi-relay networks
CN115001560B (zh) 一种基于功率域非正交多址接入的星地融合中继网络传输方法
CN116054961A (zh) 一种异构网络下的物理层保密传输方法
CN117879717A (zh) 一种非正交多址接入空天地一体化物理层保密传输方法
Wang et al. Capacity of two-way in-band full-duplex relaying with imperfect channel state information
Yuan et al. Encoding and Decoding Algorithms of Relay Satellite Wireless Data Transmission System
Chen et al. Performance of hybrid satellite-terrestrial relay systems using non-orthogonal multiple access
Goel et al. Performance analysis of drone assisted cooperative communication in hybrid channel environment
Verma et al. Overlay Space-Air-Ground Integrated Networks with SWIPT-Empowered Aerial Communications
Wang et al. Physical Layer Secrecy Analysis of Multihop Hybrid Satellite‐Terrestrial Relay Networks with Jamming

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