[发明专利]基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统，按如下步骤进行：卫星通信系统包括一个配置N个波束的地球同步轨道卫星、一个合法用户和K个窃听者；给定卫星单个波束的最大发射功率为P_ant，合法用户输出信噪比γ_s不小于系统要求的门限值Γ_s、第k个窃听者输出信噪比γ_k不大于设定的门限值Γ_k条件下，以安全能效最大化为优化问题；求解所述优化问题得到鲁棒波束成形权矢量w。本发明对窃听者信道状态信息存在的误差具有很好的鲁棒性，实现了卫星通信系统信息传输安全性与能效的很好折中，为提升卫星通信系统的安全性能提供了很好的技术支撑。

技术领域

本发明涉及卫星通信物理层安全技术领域，具体涉及一种基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统。

背景技术

由于卫星通信具有传输距离远、覆盖范围广、不受地域条件限制、可实现高速率数据传输等优点，已广泛应用于导航、广播、救援、救灾等多种场景。然而，卫星通信的广播特性使得卫星通信过程中信号极易被窃听，使得系统的保密信息存在很大的泄露风险。为了保证安全通信，传统的卫星上层加密算法是基于算法复杂度实现安全传输，但随着窃听者的计算速度的不断提升，传统加密算法不再能够保证信息的安全传输。所以，利用物理层安全技术实现信息的安全传输受到了广泛的关注。然而，除了安全性，系统功率消耗的不断增长使得卫星通信系统的能效问题也成为了研究热点。如何在保证信息安全传输的同时，提高系统的能效成为了当今急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法及系统，在窃听链路理想信道状态信息未知情况下，实现卫星通信系统信息传输安全性与能效的有效折中。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于能效最大化的卫星安全通信鲁棒波束成形方法，其特征是，包括以下过程：

卫星通信系统包括一个配置N个波束的地球同步轨道卫星、一个合法用户和K个窃听者；给定卫星单个波束的最大发射功率为P_ant，合法用户输出信噪比γ_s不小于系统要求的门限值Γ_s、第k个窃听者输出信噪比γ_k不大于设定的门限值Γ_k条件下，以安全能效最大化为优化问题；具体表示为：

s.t.γ_s≥Γ_s

γ_k≤Γ_k

其中为卫星第n个波束的发射功率；安全能效η_SEE定义为安全速率与总功耗的比值，可由以下公式计算：

其中，可达安全速率||w||²为卫星N个波束的总发射功率，P_c为卫星其他硬件的发射功率；

求解所述优化问题得到鲁棒波束成形权矢量w。

进一步的，求解优化问题的具体过程为：

通过引入辅助变量α和τ，同时考虑窃听链路信道误差最大情况，将非凸约束转化为凸优化问题，并引入新的矩阵变量W＝ww^H；使得优化问题转换为：

s.t.Tr(W)+P_c＝τ

Tr(H_sW)≥(Γ_s-1)σ²