多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法.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CN113037340A(43)申请公布日2021.06.25(21)申请号202110324589.0(22)申请日2021.03.26(71)申请人东方红卫星移动通信有限公司地址401120重庆市渝北区龙兴镇两江大道618号(72)发明人周洋高勇王艳峰谷林海刘鸿鹏(74)专利代理机构重庆辉腾律师事务所50215代理人卢胜斌(51)Int.Cl.H04B7/0408(2017.01)H04B7/0456(2017.01)H04B7/06(2006.01)H04B7/185(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图5页(54)发明名称多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法(57)摘要本发明涉及卫星通信领域，涉及一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法；所述方法包括获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，计算出系统保密速率；构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使保密速率下界近似值最大的预编码矩阵；本发明考虑了星地无线信道的衰落，在存在窃听者的情况下，仍能保证信息的安全传输。CN113037340ACN113037340A权利要求书1/2页1.一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述方法包括：分别获取卫星向地面合法用户传输信息的速率以及窃听用户的窃听速率，从而计算出系统保密速率；构建出以最大化系统保密速率为目标，以卫星最大发送功率为约束条件的第一优化模型；将以最大化保密速率为目标的第一优化模型转化成以最大化保密速率下界为目标的第二优化模型；利用矩阵的泰勒展开得到保密速率下界的近似值，将最大化下界的第二优化模型转换为最大化保密速率下界近似值的第三优化模型；通过迭代凸优化算法求解第三优化模型，得到使得保密速率下界近似值最大的预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在+于，所述系统保密速率的计算方式表示为RS＝[R1‑R2]，其中，R1卫星向合法用户传递信息的+速率；R2窃听用户的窃听速率；[]表示和0比较取最大值。3.根据权利要求1或2所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，卫星向合法用户传递信息的速率R1、窃听用户的窃听速率R2分别表示为：式中，m表示合法用户的接收天线数，n表示窃听用户的接收天线数；Im、In分别表示m、n维的单位矩阵；G1表示卫星向合法用户传递信息的合法信道，G2表示窃听用户对卫星发送信息进行窃听的窃听信道；上标H表示矩阵的共轭转置，|·|表示矩阵·的行列式，Φ＝E{xxH}表示卫星发送信息x的协方差矩阵，E{}表示求均值运算。4.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述第一优化模型表示为：s.t.Tr(Φ)≤P其中，RS表示系统保密速率；R1表示卫星向合法用户传递信息的速率；R2为窃听用户的窃听速率；[]+表示和0比较取最大值；Tr()表示求矩阵的迹，P为卫星的最大发送功率；Φ表示卫星发送信息x的协方差矩阵。5.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述第二优化模型表示为：2CN113037340A权利要求书2/2页s.t.Tr(Φ)≤P其中，R1为卫星向合法用户传递信息的速率；R2为窃听用户的窃听速率；Tr()表示求矩阵的迹，P为卫星的最大发送功率；Φ表示卫星发送信息x的协方差矩阵。6.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述第三优化模型表示为：s.t.Tr(Φ)≤P其中，R1表示卫星向合法用户传递信息的速率；表示在迭代矩阵处进行泰勒展开的线性函数；Tr()表示求矩阵的迹，P为卫星的最大发送功率；Φ表示卫星发送信息x的协方差矩阵。7.根据权利要求6所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述在迭代矩阵处进行泰勒展开的线性函数表示为：其中，In表示m维的单位矩阵；表示窃听信道的信道噪声的方差；G2表示窃听用户对卫星发送信息进行窃听的窃听信道；Μ表示迭代矩阵；上标H表示矩阵的共轭转置；Φ＝E{xxH}表示卫星发送信息x的协方差矩阵，E{}表示求均值运算。8.根据权利要求1所述的一种多波束低轨卫星通信系统的安全预编码方法，其特征在于，所述通过迭代凸优化算法求解第三优化模型包括采用凸优化工具对所述第三优化模型求解，求