一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114337738A(43)申请公布日2022.04.12(21)申请号202210026093.X(22)申请日2022.01.11(71)申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号(72)发明人尤力燕迎春黄彦肖翔王闻今(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249代理人任志艳(51)Int.Cl.H04B7/0408(2017.01)H04B7/0456(2017.01)H04B7/185(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图3页(54)发明名称一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法(57)摘要本发明提出了一种适用于低轨卫星安全通信的鲁棒预编码方法。由于低轨卫星的高速移动性，发射端无法获得准确的信道状态信息。为此，本发明建立了合法用户和窃听者的信道不确定性模型，并提出了相应的鲁棒安全传输设计。由于得到的优化问题是非凸的且数学上难以处理，该方法制定了实用的算法，通过速率近似和半正定松弛对初始问题进行松弛优化，接着采用序贯优化、S‑Procedure以及一阶泰勒展开将原问题转化为一系列凸优化子问题，通过迭代计算得到预编码矢量。与考虑理想信道状态信息的传统方法相比，本发明所提出的低轨卫星鲁棒预编码方法，能够有效提高低轨卫星系统的安全性和鲁棒性，具有更好的传输性能。CN114337738ACN114337738A权利要求书1/3页1.一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性，同时，考虑窃听者准确位置难以获取，引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性；步骤2，考虑系统总功率的约束条件，将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题。2.根据权利要求1所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，步骤1中考虑低轨卫星通信系统中卫星的高速移动性导致的用户信道角度不确定性，同时，考虑窃听者准确位置难以获取，引入窃听者信道误差矢量表示窃听者信道不确定性；具体为：低轨卫星、用户端和窃听者端配置均匀天线阵列(UPA,UniformPlanarArray)，对于合法用户m，由于低轨卫星高速移动导致角度误差，卫星端收到的合法用户m的实际信道响应为其中，gm为信道增益，为第m个用户的实际UPA响应向量，和分别为第m个用户在x轴和y轴上的角度估计，和为相应的角度估计误差；对于窃听者，假设只知道其信道不确定区域，信关站收到并进行预编码时实际信道响应为：其中，为窃听者的实际信道矢量，为窃听者的估计信道矢量，为相应的信道估计误差，de为信道增益，ve和分为窃听者的UPA响应向量及其相应的不确定区域，即||△ve||≤ε，ε为不确定区域的最大边界值。3.根据权利要求2所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，步骤2中考虑系统总功率的约束条件，将鲁棒预编码设计问题建模为所有用户的和安全速率最大化问题，具体为：鲁棒预编码优化设计问题的优化目标为所有用户的和安全速率最大，和安全速率约束条件为总发射功率小于设定门限值P；其中，为第m个用户的安全速率，原始的鲁棒预编码优化设计问题为表示如下：为第m个用户的用户速率，SINRm为第m个用户的信噪比；bn为用户n的预编码矢量；为窃2CN114337738A权利要求书2/3页听用户m的窃听者速率，bm为用户m的预编码矢量，表示第m个用户的发射功率，P表示总发射功率门限值，N0为噪声方差。4.根据权利要求3所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，步骤2中，当bm＝0时Rwc＝0，和安全速率不可能为负值，因此在不失一般性的情况下省略[]+，即问题转换为：5.根据权利要求4所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，引入辅助变量问题等价于其中，6.根据权利要求1至5任一项所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，步骤1中信道增益gm和ge遵循Rician衰落分布，并且满足为求数学期望。7.根据权利要求6所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，数学期望近似为利用半正定松弛对问题转化，表示为：其中，3CN114337738A权利要求书3/3页Tr(·)表示矩阵的迹，为的自相关矩阵，和为半正定矩阵。8.根据权利要求7所述一种适用于低轨卫星安全传输的鲁棒预编码方法，其特征在于，利用序贯优化方法、一阶泰勒展开以及S‑Procedure转换后的问题可以表示为：(τ)其中，gm(B)表示gm(B)进行第τ次迭代时的求取结果，Bj表示变量集合{B1,...,BM},j≠m，表示代表变量集合{B1，(τ),