[發明專利]多波束低軌衛星通信系統的安全預編碼方法

有效

• 申請號: 202110324589.0
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113037340B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 周洋;高勇;王艷峰;谷林海;劉鴻鵬
• 申請（專利權）人: 東方紅衛星移動通信有限公司
• 主分類號: H04B7/0408
• 分類號: H04B7/0408;H04B7/0456;H04B7/06;H04B7/185
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 盧勝斌

本發明涉及衛星通信領域，涉及一種多波束低軌衛星通信系統的安全預編碼方法；所述方法包括獲取衛星向地面合法用戶傳輸信息的速率以及竊聽用戶的竊聽速率，計算出系統保密速率；構建出以最大化系統保密速率為目標，以衛星最大發送功率為約束條件的第一優化模型；將以最大化保密速率為目標的第一優化模型轉化成以最大化保密速率下界為目標的第二優化模型；利用矩陣的泰勒展開得到保密速率下界的近似值，將最大化下界的第二優化模型轉換為最大化保密速率下界近似值的第三優化模型；通過迭代凸優化算法求解第三優化模型，得到使保密速率下界近似值最大的預編碼矩陣；本發明考慮了星地無線信道的衰落，在存在竊聽者的情況下，仍能保證信息的安全傳輸。

技術領域

本發明涉及衛星通信領域，針對多波束的衛星安全通信系統，具體涉及一種多波束低軌衛星通信系統的安全預編碼方法。

背景技術

近年來，隨著信息處理技術的進步，地面蜂窩移動通信得到了快速的發展，第5代移動通信正向著增強型帶寬、低功耗大連接、低時延高可靠連接三大方向演進。但是由于地形地貌的原因，地面互聯網很難做到對海洋、森林、沙漠等區域的覆蓋，根據資料[3GPPTR22.822,“Study on Using Satellite Access in5G(Stage I),”Release 16,Feb.2018.16]顯示，全球將近一半的區域仍然沒有互聯網網絡覆蓋。

低軌衛星通信可以不受地形地貌的約束，能實現信號的全覆蓋，可有效滿足海洋、偏遠陸地、高山森林、沙漠等區域的聯網需求。隨著衛星制造和火箭發射技術的進步，近年來，低軌衛星通信迎來了發展的熱潮。目前，國內外多家公司宣布了自己的星座計劃。在國外，Space X公司提出了Starlink衛星互聯網星座，其計劃建設一個由1.2萬顆衛星組成的衛星群，OneWeb公司提出了計劃部署近三千低軌衛星的OneWeb系統，Leoset公司計劃構建由108顆衛星組成的衛星星座，提供全球高速數據傳輸服務。在國內，提出了鴻雁、虹云星座建造計劃。

低軌衛星通信最大的特點是衛星相對地面進行高速運動，即低軌衛星通信具有高動態性。在高動態的低軌衛星通信中，采用多波束預編碼技術能有效提升系統空間復用增益和分集增益，可在不額外增加帶寬和發射功率的情況下顯著提高系統的頻譜利用率。

由于衛星向地面用戶傳輸信息是在一個開放的空間進行，且用戶分布的位置具有隨機性，若傳輸空間存在竊聽者，發送的信息很容易被非法竊聽者竊聽，這就導致通信系統的安全性面臨著挑戰。為了實現信息的安全傳輸，可以將物理層安全技術運用到多波束高動態的低軌衛星通信系統中。物理層安全以信息論為基礎，利用信道的隨機性、互易性、唯一性等特點，實現信息的安全傳輸、密鑰產生、合法用戶辨識等，在底層提高通信系統的安全性。物理層安全技術可以分為以下兩類：借助無線信道的特性在合法通信雙方生成共享的密鑰，解決傳統保密編碼體系中最易受到攻擊的密鑰生成、分發等安全問題；利用信號處理技術和安全信道編碼技術，在無密鑰的情況下實現信息的保密傳輸。文獻[Chen X,Ng DW K,Gerstacker W,et al.A survey on multiple-antenna techniques for physicallayer security[J].IEEE Communications SurveysTutorials,2017,19(2):1027-1053.]指出安全預編碼技術作為物理層安全的實現手段，其核心思想是利用空間自由度對發送端數據流進行矩陣加權變換，使天線陣列形成的發送波束對準合法用戶，避免發送的信號被其他非法用戶接收。

綜上，在多波束的低軌衛星通信系統中采用物理層安全預編碼技術，不僅可以提高衛星通信系統的頻譜效率，還可以增強信息傳輸的安全性，但是如何將物理層安全預編碼技術應用于多波束的低軌衛星通信系統成為一個亟待解決的問題。

發明內容