[发明专利]一种星-地混合通信网络下行协同安全传输方法

说明书

本发明公开了一种星‑地混合通信网络下行协同安全传输方法。该方法为：首先构建非理想信道状态信息下，地面基站到卫星合法节点、卫星窃听节点、地面基站节点的信道增益误差模型；然后将信道增益误差模型作为反映非理想信道状态信息下的样本，构建以地面基站最小信干噪比的节点传输速率最大化为目标函数、卫星合法节点的最小信干噪比大于门限值、基站发射功率受限为约束条件的安全传输问题；接着将信干噪比优化问题转换为半正定规划问题，设计优化算法求解得出地面基站波束成形向量；最后地面基站发送信号乘以波束成形向量，实现对卫星窃听节点的最大化协同干扰。本发明降低了网络对信道状态信息误差的敏感性，提高网络的可靠性和保密性。

技术领域

本发明涉及星-地混合通信网络技术领域，特别是一种星-地混合通信网络下行协同安全传输方法。

背景技术

由于卫星通信的广播特性，星-地混合通信网络中卫星窃听节点不发送信号即可侦听卫星合法信号，卫星合法节点和信关站无法获知卫星窃听节点的信道状态信息，不能对其进行主动干扰。物理层安全技术从信息论的角度，在未知窃听信道状态信息的情况下，引入地面协同干扰节点，只需获知卫星合法节点的信道状态信息，利用协同干扰的安全传输方法，在确保卫星合法节点的接收质量的同时最大程度恶化窃听节点的接收信号质量，并最大化地面基站节点的传输速率。

目前，关于卫星通信网络中的安全传输问题，通常分析研究保密速率约束下的功率控制和波束成形方案，通过假设窃听节点非理想信道状态信息，设计卫星发射功率最小化的安全传输方案，以及研究卫星发射功率分配和下行波束成形联合优化方法，构建以保密速率为目标的优化模型求得波束成形权值向量，但是都没有考虑引入地面协同干扰方法；关于星-地混合通信网络中的安全传输问题，优化求解出地面干扰下的中断概率和保密速率，但是没有考虑非理想信道状态信息问题。因此，现有方法不适于星-地混合通信网络下行非理想信道状态信息下的安全传输场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对信道状态信息误差的敏感性低、可靠性和保密性高的星-地混合通信网络下行协同安全传输方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种星-地混合通信网络下行协同安全传输方法，该方法基于的星-地混合通信网络架构，包括1个配置有单根天线的卫星、1个配置有单根天线的卫星合法节点、1个配置有单根天线的卫星窃听节点、1个配置有N根天线的地面基站、1个配置有单根天线的地面基站节点，其中N是1以上的自然数；设定卫星下行链路与地面基站下行链路共用频段，并且地面基站具备频谱认知能力；

该方法包括以下步骤：

步骤1，t时刻，卫星和地面基站分别发送信号，卫星合法节点接收卫星发送的信号，卫星窃听节点侦听卫星发送的信号，地面基站节点接收地面基站发送的信号，利用地面基站发送信号对卫星窃听节点进行干扰；

步骤2，构建非理想信道状态信息下，地面基站到卫星合法节点、卫星窃听节点、地面基站节点的信道增益误差模型，分别为h_p，h_e，h_s；

步骤3，地面基站将信道增益误差模型作为反映非理想信道状态信息下的样本，构建以地面基站最小信干噪比的节点传输速率最大化为目标函数、卫星合法节点的最小信干噪比大于门限值、地面基站发射功率受限为约束条件的安全传输问题模型；

步骤4，利用函数性质将信干噪比优化问题转换为功率优化问题，并通过变量替换把双层优化问题转换为最大优化问题，利用S-Procedure原理和半正定松弛原理将优化问题转换成一个半正定规划问题，进而设计优化算法求解得出地面基站波束成形向量w；

步骤5，将地面基站发送的信号乘以相应的波束成形向量w，实现对卫星窃听节点的最大化协同干扰。