[发明专利]卫星通信多播信号传输方式下波束成形方法和系统

说明书

本发明提供卫星通信多播信号传输方式下波束成形方法和系统，包括以最小化卫星发射功率为目标，每个合法用户的安全速率不低于预设门限为约束的优化模型；对所述优化模型进行迭代求解获得鲁棒安全波束成形权矢量；卫星利用计算出的波束成形权矢量对要发送的多播信号进行波束成形，完成多播信号的安全传输。本发明在窃听者信道状态信息无法准确已知的情况下，能够有效地降低信道状态信息误差对系统安全性能的影响。

技术领域

本发明属于无线通信物理层安全领域，涉及多播传输模式下卫星通信系统中的波束成形方法。

背景技术

卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、不受地理限制等优点，将在下一代移动通信系统中发挥着越来越重要的作用。随着卫星通信逐渐进入人们的日常生活，以内容为中心的各种数据业务如流媒体、数字视频广播等在卫星通信网络中得到了迅猛的发展。在这种情况下，多播传输技术将在未来的卫星通信领域得到越来越广泛的应用。

然而，卫星通信的广域覆盖特性在为信息传递提供便利的同时，也为窃听者窃取私密信息提供了可乘之机，从而给卫星通信造成潜在的安全隐患。传统的卫星通信网络安全协议主要是基于计算密码学方法的，破解密钥所需的计算复杂度决定了该加密算法的有效性。但是随着云计算、量子计算等新技术的出现，这种基于计算复杂度的密钥安全体制面临着巨大的挑战。

在星上资源有限和安全通信背景下，提升系统的安全性成为未来卫星通信系统设计必须要考虑的重要因素。

发明内容

本发明的目的是在窃听者准确信道状态无法获得的情况下，提升系统的安全性。为实现该技术目的，本发明采用以下技术方案。

一方面提供卫星通信多播信号传输方式下波束成形方法，以最小化卫星发射功率为目标，每个合法用户的安全速率不低于预设门限为约束建立优化模型；

对所述优化模型进行迭代求解获得波束成形权矢量；

卫星利用计算出的波束成形权矢量对要发送的多播信号进行波束成形，完成多播信号的安全传输。

进一步地，所述优化模型表示为：

其中，卫星发射功率用波束成形权矢量w表示，k表示合法用户的序号，k＝1···K，K表示合法用户的数量；l表示窃听者的序号， l＝1···L，L表示窃听者的数量，h_k表示卫星与合法用户之间的完美信道状态信息，表示合法用户的加性高斯白噪声的方差，为窃听者的加性高斯白噪声的方差，g_l表示第l个窃听者信道状态信息， G_l表示第l个窃听者误差信道的范围，表示第k个合法用户的安全速率门限值，(·)^H表示矢量的共轭转置。

再进一步地，第l个窃听者信道状态信息表示为：

g_l∈G_l

其中F_l＝1/εI决定了信道误差的大小，ε信道误差的大小，单位矩阵， G_l表示第l个窃听者误差信道的范围。

再进一步地，求解所述优化模型时将所述优化模型拆分成两个子问题分解进行求解，通过求解第一子问题获得波束成形权矢量w，然后将该权矢量代入第二子问题求解最差信道；判断最差信道下用户的安全速率是否满足安全速率门限值约束；如果满足，此时的波束成形权矢量w即为鲁棒波束成形最优权矢量；反之，将第二子问题求解结果中最差信道带入第一子问题重新迭代求解波束成形权矢量w。

再进一步地，第一子问题表示为：

第二子问题表示为：