[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

说明书

本发明提供高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置，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，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。本发明将全部或部分波束成形任务由星上转移到地面信关站来完成。地基波束成形技术通过地面信关站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖。由于信关站设备能够承受的运算复杂度、硬件复杂度、功耗等要比卫星大得多，故可整体降低通信系统造价和实现难度、显著提高灵活性。

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全领域，具体涉及高通量卫星通信系统中信息安全传输方法和装置。

背景技术

随着数据高速率传输的需求及宽带信息广播服务，高吞吐量要求等多样化业务需求的与日俱增，高通量卫星因其具有多点波束、可用频带宽、频率复用、单点波束增益高、通信容量高于传统通信卫星十倍到百倍等优势，已广泛应用于广播、救援、军事等多种场景。然而，由于高通量卫星通信的广域覆盖特性和广播特性使得其传输的信号极易被非法用户窃听，导致高通量卫星通信的安全问题日益凸显。高通量卫星通信系统的安全传输主要依赖传输上层的加密技术得以实现，但是随着计算机技术的发展，尤其是量子计算技术的出现，基于计算复杂度的传统加密技术面临着严峻的挑战。在这种情况下，波束成形技术作为实现无线通信物理层安全的一种有效手段，它既可以增强合法用户接收的信号强度，又能够有效降低被窃听者接收的信号强度，近年来被广泛应用于提升高通量卫星通信系统的安全性。

传统的波束成形是在卫星上实现的，由于星上处理能力、发射功率和造价等有限，完全在卫星上进行信号处理卫星将会不堪重负。与此同时，考虑在高通量卫星中，每个馈源配置专用的射频链路和功率放大器，因此研究单馈源发射功率约束下的安全问题更为实际。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统的高通量卫星通信系统结构复杂、实现难度大的技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案。

提供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，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。

进一步地，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。

再进一步地，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。

进一步地，所述目标函数表示如下：