無線通信物理層安全傳輸技術淺析

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摘要：隨著信息全球化的發展，星地通信網絡作為實現廣域覆蓋信息網的重要手段，已成為支撐起物聯網在內的涉及全球信息網絡的基礎。由于星地衛星通信系統的廣播特性和廣域覆蓋特性，無論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽的安全威脅，因此，提出了將地面基站發送信號作為一種協同干擾的波束成形技術，通過由地面基站發送干擾信號來惡化衛星竊聽節點的接收性能。同時在采用隨機信道模型前提下，基于中斷概率準則，結合凸優化技術，設計一種較安全的波束成形算法，使發送信息在無線通信物理層安全傳輸。

關鍵詞：星地通信網絡；物理層安全；中斷概率；凸優化

隨著信息全球化的發展，需要一種全球無縫覆蓋的信息網絡。衛星通信具有廣域覆蓋優勢，而地面移動通信可以在人口密集區提供大容量、多業務、高速率的優質通信服務。將衛星與地面通信系統進行一體化，發揮各系統優勢，構建具有廣域覆蓋信息網的星地混合通信系統，將成為支撐起物聯網在內的涉及全球信息網絡的基礎。然而正是由于星地衛星通信系統的廣播特性和廣域覆蓋特性，無論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽的安全威脅。目前針對衛星通信的物理層安全研究很多。張應憲等［1］對衛星通信物理層安全技術應用的可行性以及存在的潛在問題進行分析論述，提出了衛星通信物理層安全研究方向，對衛星通信物理層安全技術的發展前景進行展望。當前大多采用動態波束成形技術［2］、多波束固定合法接收機的物理層安全技術［3］等實現衛星通信物理層安全。本文針對衛星－地面混合通信系統的聯合處理技術，通過對前向鏈路混合頻段的波束成形設計，在不增加衛星載荷復雜度的基礎上提升系統頻譜利用率和安全性能，開展星地混合通信系統前向鏈路的安全傳輸技術研究和保密性能分析研究，并提出將地面基站發送信號作為一種協同干擾的波束成形技術，協同干擾技術通過引入地面基站發送干擾信號來惡化衛星竊聽節點的接收性能。采用隨機的信道模型，基于中斷概率準則，通過凸優化技術，設計一種安全波束成形算法，對竊取進行攔截與反干擾來增加通信的安全性，使無線通信物理層信息安全傳輸。

1關鍵技術

1．1中斷概率準則

在通信中，如果得到的隨機變化的信息傳輸速率（即業務可靠速率）低于一定的水平，則會發生中斷。實際通信系統中，收發信號的互信息量小于預期頻譜效率時，則認為該鏈路中斷。中斷概率［4］是評價通信質量的重要指標，是鏈路容量的另一種表達方式。當鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時，會產生中斷事件，這個事件呈概率分布且取決于鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型。設信噪比SNR的函數表達式為f(x)，則中斷概率可以表示為PrSNR＜γ0()＝∫γ00f(x)dx，（1）式中γ0表示在某節點接收信噪比的門限值。以信道容量表示的中斷概率是瞬時信道容量低于預定義的傳輸速率R的概率，因此中斷概率Pout(R)可以表示為Pout(R)＝PrCmRm(()＜R)，（2）式中CmRm()表示在傳輸速度為Rm時的瞬時信道容量。

1．2凸優化技術

凸優化［5］是數學最優化的一個子領域，主要研究定義于凸集中的凸函數最小化問題。凸優化在某種意義上較一般的數學最優化問題簡單，即在凸優化局部最優值必定是全局最優值。凸函數是一個定義在某個向量空間的凸子集C（區間）上的實值函數f，在其定義域C上的任意兩點x，y，以及t∈(0，1)，有ftx＋1((－t)y)≤tf(x)＋1(－t)f(y)，（3）也就是說，一個函數為凸函數，當且僅當其上鏡圖（在函數圖像上方的點集）為一個凸集。如果對于任意t∈(0，1)有ftx＋1((－t)y)＜tf(x)＋1(－t)f(y)，（4）函數f是嚴格凸的。若對于任意的x，y，z，其中x≤y≤z，都有f(z)≤maxf(x)，f(y){}，（5）則稱函數f是幾乎凸的。

2星地通信系統

星地混合通信系統的組成示意圖如圖1所示，地面無線移動通信網又稱為輔助地面網絡（ATN），其中的地面移動終端稱為輔助地面組件（ATC）。空間網絡與ATN互聯互通、無縫一體，籍以實現無處不在的全方位通信能力。圖1星地混合通信衛星將面臨如下干擾：各種上行干擾源的干擾，既包括非法用戶和敵對勢力的惡意干擾，也包含己方的無意影響；未授權接入者對衛星前向鏈路下行信號的非法竊聽與截取。

2．1星地通信模型

針對星地混合通信系統前向鏈路中存在衛星非法竊聽與截取鏈路的安全問題，由于衛星竊聽節點比較隱藏，很難獲取竊聽節點的信道信息CSI，為此提出將地面基站發送信號作為一種協同干擾的波束成形技術，協同干擾技術通過引入地面基站發送干擾信號來惡化衛星竊聽節點的接收性能。采用隨機的信道模型前提下，基于中斷概率準則，結合凸優化技術，設計一種安全算法實現星地通信物理層安全傳輸。假設地面衛星傳輸信號為X，則通過前向鏈路上行到達GEO衛星（地球靜止軌道衛星），再由GEO衛星經前向下行鏈路到達用戶終端，得到接收信號為Y，整個過程可表示為Y＝H2H1X＋N1[]＋N2，（6）式中：H1、H2分別表示前向上行、前向下行的星地混合通信系統信道響應，衛星移動信道十分復雜，在本文中暫不考慮信道對其影響；N1、N2表示GEO衛星處、用戶終端處的噪聲，一般為高斯白噪聲，N1、N2～CN0，(σ2)，即噪聲服從均值為0，方差為σ2的正態分布。定義衛星源點為s，地面目的節點為d，對前向下行鏈路中傳輸的信號進行實時監控，當鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時會產生中斷時間，這個事件發生的概率由鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型決定。在鏈路傳輸過程中的瞬時信噪比為rsd＝hsd2×r－sd，（7）式中：r－sd＝Es／N0，是衛星到目的節點間鏈路符號平均傳輸信噪比；hsd為衛星到目的節點間信道響應。因此瞬時信噪比的概率密度函數為（8）式中f為信道模型函數。鏈路的瞬時容量為I＝12lg1＋rsd＋∑frsdrsd[()]，（9）因此當要求速率為R時，中斷概率定義為Pout＝Pr[I＜R]＝式中C(n)＝22R－1，表示瞬間信道容量。通過式（10）計算在某一時間段t1，t2[]信號信噪比函數所對應的中斷概率集合可以表示為Pout，Pout＝P1，P2，…，PN[]，N表示集合個數。隨后對中斷概率集合進行凸優化處理，將中斷概率集合Pout作為一個凸集，設其對應的凸函數為ω，約束條件為φ1，φ2，…，φM，M為約束函數的個數，進行凸優化處理，即：minω，s．t．φ1≤0，φ2≤0，…，φM≤0，（11）根據約束條件可分離變量得到最優結果x1，x2，…，xm，m為最優結果個數，即最有可能出現竊聽點的節點位置，得到最優可能出現的竊聽節點，對其進行干擾與攔截，完成星地通信物理層信息的安全傳輸。

2．2波束成形算法

2．2．1算法實現流程。在信號傳輸過程中，前向上行與前向下行鏈路均有可能出現干擾信號惡化衛星竊聽節點的接收性能，本文利用中斷概率準則和凸優化技術，對干擾信號進行攔截或干擾。圖2所示為追蹤算法實現具體流程圖。2．2．2算法實現基本步驟。1）對前向鏈路傳輸過程實時監控得到在時間段t1，t2[]內的中斷概率集合Pout；2）對中斷概率集合Pout進行凸優化算法處理，得到最優可能的竊聽或干擾節點；3）在竊聽或干擾節點處進行反干擾操作，實現通信物理層安全傳輸。

3仿真結果與分析

仿真結果如圖3所示，本文從接收天線Nr＝1，2，3進行仿真研究。從圖3可以看出，在相同信噪比情況下，隨著接收天線的增加，對于竊聽節點的位置能較快地定位；當信噪比增大到一定程度時追蹤的時間保持不變，并且隨著信噪比的增加，定位竊聽節點所需要的時間越來越短。當信噪比越大即信號質量越好時，受干擾影響越小，追蹤到竊聽節點位置越快。現有文獻鮮有在傳輸信號時利用信號性質來對竊聽或干擾信號進行反干擾處理，本算法具有一定的研究價值。

4結束語

本文基于中斷概率準則，結合凸優化技術，在采用隨機信道模型下，設計的實現星地通信物理層信息安全傳輸算法，有效地干擾了對星地通信系統中前向鏈路的信號竊聽，同時確保了衛星合法節點的正常通信。

作者:郭美麗 李靈燕 羅永倫 單位:煙臺職業學院電氣與電子工程系 山東衡昊信息技術有限公司研發部 電子科技大學電子科學與技術研究院