[发明专利]高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置

权利要求书

1.高通量卫星通信系统中信息安全传输方法，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，其特征在于，所述方法被配置于所述信关站，包括以下步骤：

利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

根据确定的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星；

利用波束成形方法确定波束成形权矢量包括：

获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量；

所述统计信道状态信息具体包括卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵以及卫星与各个窃听者信道的协方差矩阵，表示如下：

其中R_s为卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星与第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

所述目标函数表示如下：

其中R_s表示系统的安全速率，[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源的发射功率最大值，w表示波束成形权矢量；

求解所述目标函数包括：

令W＝ww^H，并忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将目标函数的非凸问题转为凸优化问题表示为：

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵，表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

求解凸优化问题的方法包括：运用黄金分割法对辅助变量t进行一维搜索求解最优解W，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。

2.高通量卫星通信系统中信息安全传输装置，所述高通量卫星通信系统包括高通量卫星、信关站、合法用户和窃听者，其特征在于所述装置被配置于所述信关站，包括波束成形权矢量确定模块和信号安全发送模块；

所述波束成形权矢量确定模块，用于利用波束成形方法确定波束成形权矢量；

所述信号安全发送模块，用于根据求得的波束成形权矢量对合法用户的数据信号进行处理，将处理后的信号通过大容量的光电混合馈电链路发送给高通量卫星；

所述波束成形权矢量确定模块包括统计信道状态信息获取模块和波束成形权矢量获取模块；

所述统计信道状态信息获取模块，用于获取卫星至合法用户和窃听者信道的统计信道状态信息；

所述波束成形权矢量获取模块，用于基于获取的统计信道状态信息，在高通量卫星单个馈源发射功率受限条件下以系统的安全速率最大化为目标函数，求解所述目标函数计算出波束成形权矢量；

所述统计信道状态信息具体包括卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵以及卫星与各个窃听者信道的协方差矩阵，表示如下：

其中R_s为卫星与设定合法用户信道的协方差矩阵，R_i为卫星与第i个窃听者信道的协方差矩阵，h_s为卫星与合法用户之间的信道矢量，h_i为卫星与第i个窃听者之间的信道矢量，E{·}表示数学期望，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

所述目标函数表示如下：

其中R_s表示系统的安全速率，[ww^H]_n表示第n个馈源的发射功率，P_n表示第n个馈源的发射功率最大值，w表示波束成形权矢量；

求解所述目标函数包括：

令W＝ww^H，并忽略W的秩1约束，通过引入辅助变量t将目标函数的非凸问题转为凸优化问题表示为：

其中X_n表示主对角线元素为1/P_n而其余元素全为0的矩阵，表示W是半正定矩阵，tr(·)表示矩阵的迹，σ²是合法用户处和第i个窃听者的噪声功率，(·)^H表示矩阵的共轭转置，K为窃听者的数量；

求解凸优化问题的方法包括：运用黄金分割法对辅助变量t进行一维搜索求解最优解W，通过特征值分解获得波束成形权矢量w。