[發明專利]衛星通信多播信號傳輸方式下波束成形方法和系統

有效

• 申請號: 202110405808.8
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113179113B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 林敏;張健;趙柏;淡振雷;歐陽鍵
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B7/06;H04B17/391
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 朱遠楓

本發明提供衛星通信多播信號傳輸方式下波束成形方法和系統，包括以最小化衛星發射功率為目標，每個合法用戶的安全速率不低于預設門限為約束的優化模型；對所述優化模型進行迭代求解獲得魯棒安全波束成形權矢量；衛星利用計算出的波束成形權矢量對要發送的多播信號進行波束成形，完成多播信號的安全傳輸。本發明在竊聽者信道狀態信息無法準確已知的情況下，能夠有效地降低信道狀態信息誤差對系統安全性能的影響。

技術領域

本發明屬于無線通信物理層安全領域，涉及多播傳輸模式下衛星通信系統中的波束成形方法。

背景技術

衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、不受地理限制等優點，將在下一代移動通信系統中發揮著越來越重要的作用。隨著衛星通信逐漸進入人們的日常生活，以內容為中心的各種數據業務如流媒體、數字視頻廣播等在衛星通信網絡中得到了迅猛的發展。在這種情況下，多播傳輸技術將在未來的衛星通信領域得到越來越廣泛的應用。

然而，衛星通信的廣域覆蓋特性在為信息傳遞提供便利的同時，也為竊聽者竊取私密信息提供了可乘之機，從而給衛星通信造成潛在的安全隱患。傳統的衛星通信網絡安全協議主要是基于計算密碼學方法的，破解密鑰所需的計算復雜度決定了該加密算法的有效性。但是隨著云計算、量子計算等新技術的出現，這種基于計算復雜度的密鑰安全體制面臨著巨大的挑戰。

在星上資源有限和安全通信背景下，提升系統的安全性成為未來衛星通信系統設計必須要考慮的重要因素。

發明內容

本發明的目的是在竊聽者準確信道狀態無法獲得的情況下，提升系統的安全性。為實現該技術目的，本發明采用以下技術方案。

一方面提供衛星通信多播信號傳輸方式下波束成形方法，以最小化衛星發射功率為目標，每個合法用戶的安全速率不低于預設門限為約束建立優化模型；

對所述優化模型進行迭代求解獲得波束成形權矢量；

衛星利用計算出的波束成形權矢量對要發送的多播信號進行波束成形，完成多播信號的安全傳輸。

進一步地，所述優化模型表示為：

其中，衛星發射功率用波束成形權矢量w表示，k表示合法用戶的序號，k＝1···K，K表示合法用戶的數量；l表示竊聽者的序號， l＝1···L，L表示竊聽者的數量，h_k表示衛星與合法用戶之間的完美信道狀態信息，表示合法用戶的加性高斯白噪聲的方差，為竊聽者的加性高斯白噪聲的方差，g_l表示第l個竊聽者信道狀態信息， G_l表示第l個竊聽者誤差信道的范圍，表示第k個合法用戶的安全速率門限值，(·)^H表示矢量的共軛轉置。

再進一步地，第l個竊聽者信道狀態信息表示為：

g_l∈G_l

其中F_l＝1/εI決定了信道誤差的大小，ε信道誤差的大小，單位矩陣， G_l表示第l個竊聽者誤差信道的范圍。

再進一步地，求解所述優化模型時將所述優化模型拆分成兩個子問題分解進行求解，通過求解第一子問題獲得波束成形權矢量w，然后將該權矢量代入第二子問題求解最差信道；判斷最差信道下用戶的安全速率是否滿足安全速率門限值約束；如果滿足，此時的波束成形權矢量w即為魯棒波束成形最優權矢量；反之，將第二子問題求解結果中最差信道帶入第一子問題重新迭代求解波束成形權矢量w。

再進一步地，第一子問題表示為：

第二子問題表示為：