[发明专利]多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法

说明书

本发明涉及卫星通信领域，涉及一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法；所述方法包括获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，计算出系统保密速率；构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使保密速率下界近似值最大的预编码矩阵；本发明考虑了星地无线信道的衰落，在存在窃听者的情况下，仍能保证信息的安全传输。

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，针对多波束的卫星安全通信系统，具体涉及一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法。

背景技术

近年来，随着信息处理技术的进步，地面蜂窝移动通信得到了快速的发展，第5代移动通信正向着增强型带宽、低功耗大连接、低时延高可靠连接三大方向演进。但是由于地形地貌的原因，地面互联网很难做到对海洋、森林、沙漠等区域的覆盖，根据资料[3GPPTR22.822,“Study on Using Satellite Access in5G(Stage I),”Release 16,Feb.2018.16]显示，全球将近一半的区域仍然没有互联网网络覆盖。

低轨卫星通信可以不受地形地貌的约束，能实现信号的全覆盖，可有效满足海洋、偏远陆地、高山森林、沙漠等区域的联网需求。随着卫星制造和火箭发射技术的进步，近年来，低轨卫星通信迎来了发展的热潮。目前，国内外多家公司宣布了自己的星座计划。在国外，Space X公司提出了Starlink卫星互联网星座，其计划建设一个由1.2万颗卫星组成的卫星群，OneWeb公司提出了计划部署近三千低轨卫星的OneWeb系统，Leoset公司计划构建由108颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。在国内，提出了鸿雁、虹云星座建造计划。

低轨卫星通信最大的特点是卫星相对地面进行高速运动，即低轨卫星通信具有高动态性。在高动态的低轨卫星通信中，采用多波束预编码技术能有效提升系统空间复用增益和分集增益，可在不额外增加带宽和发射功率的情况下显著提高系统的频谱利用率。

由于卫星向地面用户传输信息是在一个开放的空间进行，且用户分布的位置具有随机性，若传输空间存在窃听者，发送的信息很容易被非法窃听者窃听，这就导致通信系统的安全性面临着挑战。为了实现信息的安全传输，可以将物理层安全技术运用到多波束高动态的低轨卫星通信系统中。物理层安全以信息论为基础，利用信道的随机性、互易性、唯一性等特点，实现信息的安全传输、密钥产生、合法用户辨识等，在底层提高通信系统的安全性。物理层安全技术可以分为以下两类：借助无线信道的特性在合法通信双方生成共享的密钥，解决传统保密编码体系中最易受到攻击的密钥生成、分发等安全问题；利用信号处理技术和安全信道编码技术，在无密钥的情况下实现信息的保密传输。文献[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.]指出安全预编码技术作为物理层安全的实现手段，其核心思想是利用空间自由度对发送端数据流进行矩阵加权变换，使天线阵列形成的发送波束对准合法用户，避免发送的信号被其他非法用户接收。

综上，在多波束的低轨卫星通信系统中采用物理层安全预编码技术，不仅可以提高卫星通信系统的频谱效率，还可以增强信息传输的安全性，但是如何将物理层安全预编码技术应用于多波束的低轨卫星通信系统成为一个亟待解决的问题。

发明内容