信号安全传输方法及传输系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号安全传输方法及传输系统。

背景技术

为了实现大规模连接，以满足不断增长的数据需求，第五代(5G)移动通信系统提出了大规模多输入多输出(MIMO)、非正交多址(NOMA)等有效的传输技术。然而，在海洋、偏远山区等无服务覆盖区域仍然缺乏网络接入。卫星系统具有覆盖面积广的特性，能够弥补地面基站系统的不足。将地面蜂窝移动通信网络优良的接入能力和移动性与卫星通信网络广泛覆盖的能力进行深度融合，发挥地面蜂窝移动通信网络和卫星通信网络各自的优势，实现广域全覆盖和网络的互联互通，成为6G发展的重要方向。6G可以为世界各地的用户提供无处不在的连接、高质量的服务和可扩展的网络，进而实现多样化的应用。

发明内容

本发明提供一种信号安全传输方法及传输系统，用以解决现有技术中卫星系统只为卫星用户提供服务，蜂窝基站只为蜂窝用户提供服务，未实现真正的联合通信的缺陷，实现卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务，进而实现信号的安全传输。

本发明提供一种信号安全传输方法，其包括以下步骤：

构建卫星-蜂窝联合通信系统，其包括卫星系统和蜂窝系统，卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务；

基于卫星-蜂窝联合通信系统，建立以安全速率最大化为目标的优化问题；

在分集和复用两种情况下分别求解以安全速率最大化为目标的优化问题，得到优化后的安全传输速率。

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，所述卫星-蜂窝联合通信系统中，合法用户k的接收信号y

式中，P

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，所述建立以安全速率最大化为目标的优化问题的过程为：

根据物理层安全定义，将所述卫星-蜂窝联合通信系统的安全速率建模为：

式中，R

以安全速率最大化为目标，建立以信号发送功率为约束条件的优化模型：

式中，

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，在所述分集情况下，所述卫星向合法用户k发送的信号s

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，在所述分集情况下得到优化后的安全传输速率的过程为：

根据合法用户k的接收信号y

根据分集情况下合法用户k的接收信号y

式中，P

考虑等功率分配的情况，建立分集情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题；

对蜂窝系统中合法用户k的波束成形矢量w

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，所述分集情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题为：

式中，变量

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，在所述复用情况下，所述卫星向合法用户k发送的信号s

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，在所述复用情况下得到优化后的安全传输速率的过程为：

根据合法用户k的接收信号y

根据复用情况下合法用户k的接收信号y

式中，P

考虑等功率分配的情况，建立复用情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题；

通过引入变量α和β将复用情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题分为主问题和次级问题；

对于主问题通过二分搜索的方法求解，然后固定变量α来求解次级问题，得到复用情况下以最大化信干噪比为目标的优化问题的全局最优解w

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，所述复用情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题为：

根据本发明提供的一种信号安全传输方法，所述主问题为：

所述次级问题为：

式中，C1、C2、C3和C4均表示约束条件；

所述复用情况下以最大化信干噪比为目标的优化问题的全局最优解w

式中，eigenvector()表示计算特征向量，

本发明还提供一种信号安全传输系统，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述信号安全传输方法。

本发明提供的一种信号安全传输方法，通过设置卫星-蜂窝联合通信系统，不再区分卫星用户和蜂窝用户，由卫星-蜂窝联合通信系统中的卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务，用户可以同时接收卫星系统和蜂窝系统的信号；通过建立以安全速率最大化为目标的优化问题，针对分集和复用两种情况，考虑系统的安全传输问题，利用信漏噪比的思想优化系统安全速率，使该通信系统的信息传输更加可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中星地融合网络模型示意图；

图2是本发明提供的信号安全传输方法的流程示意图；

图3是本发明提供的信号安全传输方法中卫星-蜂窝联合通信系统模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着5G网络的快速发展和6G网络的探索，卫星通信与地面蜂窝移动通信的融合成为了通信领域的重要发展方向。卫星通信具有覆盖范围广、受地理条件限制小、可实现全球无缝覆盖等特点，是地面蜂窝移动通信的重要补充。而地面蜂窝移动通信则具有成本低、速率高、容量大、灵活性强等特点，是卫星通信的重要支撑。两者的融合可以实现天地一体化的网络架构，为各种场景和业务提供更高效、更可靠、更智能的通信服务。

然而，如图1所示，目前已有的STIN(Satellite Terrestrial IntegratedNetwork，星地融合网络)包括卫星通信网络和地面蜂窝移动通信网络。其中，卫星通信网络为主要网络，地面蜂窝移动通信网络为次要网络。

使用卫星通信网络的卫星通信系统包括SAT(Satellite，通信卫星)和SU(Satellite User，卫星用户)，卫星用户会遭受来自窃听者的窃听攻击。使用地面蜂窝移动通信网络的地面蜂窝移动通信系统包括TBS(Terrestrial Base Station，地面基站)和TU(Terrestrial User，地面用户)。为了提高频谱利用率，卫星系统和地面蜂窝移动通信系统共享频谱。

为了真正实现卫星通信系统和地面蜂窝移动通信系统的联合通信，打破已有的主次系统划分，也不再区分卫星用户和地面用户。本发明提供了一种卫星-蜂窝联合通信系统，在该卫星-蜂窝联合通信系统中，所有用户能够同时接收来自卫星系统和蜂窝系统的信号，并采用分集和复用两种方式对信号进行传输，从而能够为用户提供更为高效、稳定的通信服务。

如图2所示，本发明提供的信号安全传输方法包括以下步骤：

S1、如图3所示，构建卫星-蜂窝联合通信系统，其包括卫星系统和蜂窝系统，卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务，即用户可以同时接收卫星信号和蜂窝信号。

在卫星-蜂窝联合通信系统中，需要在保证链路安全传输的同时最大化安全传输速率。另外，由于在卫星-蜂窝联合通信系统中，卫星系统采用TDMA多址方式，蜂窝系统采用空分多址方式，同时为一个以上合法用户提供服务，接收卫星发送的信号时，合法用户之间不存在相互干扰；接收地面基站发送的信号时，还需要考虑合法用户之间的干扰问题。

下面对卫星-蜂窝联合通信系统的下行链路做详细的介绍。

卫星工作在Ka波段，假设卫星配备有M根发射天线并产生M个波束，地面基站配备有N根天线，合法用户和窃听者均配置有单天线。合法用户由卫星系统和蜂窝系统联合服务，且会受到窃听者的窃听攻击。为了更有效地利用频谱资源，卫星系统通常采用频率复用技术，可以降低相邻波束间的干扰。

本发明中卫星采用TDMA多址方式，地面基站采用空分多址方式，同时为K个用户提供服务，合法用户集合的索引为

假设s

式(1)和式(2)中，

S2、为提升链路传输的安全性，建立以安全速率最大化为目标的优化问题，其过程为：

根据物理层安全定义，将卫星-蜂窝联合通信系统的安全速率建模为：

式(3)中，R

以安全速率最大化为目标，建立以信号发送功率为约束条件的优化模型，即：

式(4)中，

S3、在分集和复用两种情况下分别求解以安全速率最大化为目标的优化问题，得到优化后的安全传输速率，其过程为：

在分集情况下，即卫星和地面基站向合法用户发送相同的信号，以保证合法用户能够正确接收，从而增强整个卫星-蜂窝联合通信系统的传输可靠性。

在分集情况下，卫星向合法用户k发送的信号s

根据式(5)和式(6)，可以将合法用户k的接收信号信干噪比SINR

由于式(7)和式(8)关于信干噪比的表示形式较为复杂，难以直接求解上述以安全速率最大化为目标的优化问题，因此转换为利用信漏噪比来求解该优化问题。

Sadek等人提出了信号泄漏的思想，信号泄漏是指目标用户对其他用户造成的干扰。在物理层安全中，可以认为是合法用户将信号泄漏到其他干扰用户和窃听者，从而导致了保密信息的泄漏。根据这一思想，采用SLNR

分集情况下合法用户k的信漏噪比SLNR

式(9)中，g

对卫星系统中合法用户k的波束成形矢量w

下面先固定w

定义信道补偿矩阵

定义变量

定义变量R

定义变量R

令t＝1，则式(10)又可以等价为：

注意到

定义变量

由于约束条件

由于t＝1，因此对w

为了简化问题，考虑等功率分配的情况，建立以最大化信漏噪比为目标的优化问题，即：

引入辅助变量α来解决式(12)中max-min问题，则式(12)的优化问题分解为主问题和次级问题。

其中，主问题为：

式(13)中，

对于固定的α，引入变量β，则次级问题可以表示为：

式(14)中，约束条件C6非凸，因此需要将该非凸的约束条件转化为凸的约束条件的形式才能求解优化问题，考虑采用一阶泰勒展开的方式，首先定义变量y的初始点为：

接下来对约束条件C6在初始点处进行一阶泰勒展开，基于该方法，不断对变量y进行n次迭代，得到n次迭代后的值y

将一阶泰勒表达式应用于约束条件C6中，则约束条件转化后式(14)转化为：

经过上述转化后，非凸约束条件转化为凸约束条件，式(12)的优化问题可以直接利用凸优化工具包CVX进行求解。

一般而言，由于利用凸优化工具包CVX求解式(12)的优化问题时没有考虑约束条件

生成元素

对

优化得到w

定义变量

定义变量R

定义变量R

令t＝1，则式(10)又可以等价为：

注意到

定义变量

由于约束条件

由于t＝1，因此对w

为了简化问题，考虑等功率分配的情况，建立以最大化信漏噪比为目标的优化问题，即：

引入辅助变量α来解决式(12)中的max-min问题，则式(12)的优化问题分解为主问题和次级问题。

其中，主问题为：

式(20)中，约束条件C1可以通过对α进行二分搜索来解决，首先初始化辅助变量α的下界α

对于固定的α，引入变量β，则次级问题可以表示为：

经过上述转化后，非凸约束条件转化为凸约束条件，式(12)的优化问题可以直接利用凸优化工具包CVX进行求解。

一般而言，上述松弛问题求得的解将不再满足

生成元素

对

然后利用交替优化的方式得到最大化SLNR

也就是说，最终优化得到的卫星系统中合法用户k的波束成形矢量w

在复用情况下，即卫星和地面基站向合法用户发送不同的信号，这种情况下能够充分利用系统资源，提高信号的传输效率。

在复用情况下，卫星向合法用户k发送的信号s

复用情况下用户k的信漏噪比SLNR

定义信道补偿矩阵

与分集情况采取相同的优化思想，考虑等功率分配的情况，建立复用情况下以最大化信漏噪比为目标的优化问题，即：

引入变量α和β，则式(26)的优化问题分解成主问题和次级问题。

其中，主问题为：

次级问题为：

式(27)表示的主问题可以通过二分搜索的方法求解，然后固定变量α来求解次级问题，观察约束条件C1，我们可以将其转化为特征值问题，求得

/>

求得

式(29)和式(30)中，eigenvector()表示计算特征向量。

由于

也就是说，最终优化得到的卫星系统中合法用户k的波束成形矢量w

本发明提供的信号安全传输方法中，不再区分主次系统，也不再区分卫星用户和蜂窝用户，所有用户都能同时接收来自卫星和地面基站的信号，并且都作为有用信号，这种方式能够大大提高卫星-蜂窝联合通信系统的性能。

针对本发明提供的信号安全传输方法中，考虑分集和复用两种情况。分集情况下，即利用卫星和地面基站向合法用户发送相同的信号，以保证接收端能够正确接收，从而增强了整个卫星-蜂窝联合通信系统的传输可靠性。复用情况下，即利用卫星和基站向合法用户发送不同的信号，这种方式能够充分利用系统资源，从而提高了信号的传输效率。

针对分集和复用两种情况，考虑卫星-蜂窝联合通信系统的安全传输问题，利用信漏噪比的思想优化卫星-蜂窝联合通信系统的安全速率，使该卫星-蜂窝联合通信系统的信息传输更加可靠。

在本发明提供的信号安全传输方法的基础上，本发明还提供了一种基于卫星-蜂窝联合通信系统的安全传输装置，其包括存储器和处理器，存储器通过通信总线与处理器进行通信，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行本发明中任一个实施例中的信号安全传输方法。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的信号安全传输方法，该方法包括：

构建卫星-蜂窝联合通信系统，其包括卫星系统和蜂窝系统，卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务，即用户可以同时接收卫星信号和蜂窝信号；

基于卫星-蜂窝联合通信系统，建立以安全速率最大化为目标的优化问题；

在分集和复用两种情况下分别求解以安全速率最大化为目标的优化问题，得到优化后的安全传输速率。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的信号安全传输方法，该方法包括：

构建卫星-蜂窝联合通信系统，其包括卫星系统和蜂窝系统，卫星系统和蜂窝系统联合为用户提供服务，即用户可以同时接收卫星信号和蜂窝信号；

基于卫星-蜂窝联合通信系统，建立以安全速率最大化为目标的优化问题；

在分集和复用两种情况下分别求解以安全速率最大化为目标的优化问题，得到优化后的安全传输速率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。