无线通信物理层安全传输技术研究

郭美丽，李灵燕,罗永伦

(1.烟台职业学院 电气与电子工程系，山东 烟台 264003；2.山东衡昊信息技术有限公司 研发部，山东 烟台 264003；3.电子科技大学 电子科学与技术研究院，四川 成都 611731)

随着信息全球化的发展，需要一种全球无缝覆盖的信息网络。卫星通信具有广域覆盖优势，而地面移动通信可以在人口密集区提供大容量、多业务、高速率的优质通信服务。将卫星与地面通信系统进行一体化，发挥各系统优势，构建具有广域覆盖信息网的星地混合通信系统，将成为支撑起物联网在内的涉及全球信息网络的基础。然而正是由于星地卫星通信系统的广播特性和广域覆盖特性，无论是民用通信还是军用通信均存在潜在窃听的安全威胁。

目前针对卫星通信的物理层安全研究很多。张应宪等[1]对卫星通信物理层安全技术应用的可行性以及存在的潜在问题进行分析论述，提出了卫星通信物理层安全研究方向，对卫星通信物理层安全技术的发展前景进行展望。当前大多采用动态波束成形技术[2]、多波束固定合法接收机的物理层安全技术[3]等实现卫星通信物理层安全。

本文针对卫星-地面混合通信系统的联合处理技术，通过对前向链路混合频段的波束成形设计，在不增加卫星载荷复杂度的基础上提升系统频谱利用率和安全性能，开展星地混合通信系统前向链路的安全传输技术研究和保密性能分析研究，并提出将地面基站发送信号作为一种协同干扰的波束成形技术，协同干扰技术通过引入地面基站发送干扰信号来恶化卫星窃听节点的接收性能。采用随机的信道模型，基于中断概率准则，通过凸优化技术，设计一种安全波束成形算法，对窃取进行拦截与反干扰来增加通信的安全性，使无线通信物理层信息安全传输。

1 关键技术

1.1 中断概率准则

在通信中，如果得到的随机变化的信息传输速率(即业务可靠速率)低于一定的水平，则会发生中断。实际通信系统中，收发信号的互信息量小于预期频谱效率时，则认为该链路中断。中断概率[4]是评价通信质量的重要指标，是链路容量的另一种表达方式。当链路容量不能满足所需求的用户速率时，会产生中断事件，这个事件呈概率分布且取决于链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型。

设信噪比SNR的函数表达式为f(x)，则中断概率可以表示为

(1)

式中γ0表示在某节点接收信噪比的门限值。

以信道容量表示的中断概率是瞬时信道容量低于预定义的传输速率R的概率，因此中断概率Pout(R)可以表示为

Pout(R)=Pr(Cm(Rm)

(2)

式中Cm(Rm)表示在传输速度为Rm时的瞬时信道容量。

1.2 凸优化技术

凸优化[5]是数学最优化的一个子领域，主要研究定义于凸集中的凸函数最小化问题。凸优化在某种意义上较一般的数学最优化问题简单，即在凸优化局部最优值必定是全局最优值。

凸函数是一个定义在某个向量空间的凸子集C(区间)上的实值函数f，在其定义域C上的任意两点x，y，以及t∈(0,1)，有

f(tx+(1-t)y)≤tf(x)+(1-t)f(y)，

(3)

也就是说，一个函数为凸函数，当且仅当其上镜图(在函数图像上方的点集)为一个凸集。

如果对于任意t∈(0,1)有

f(tx+(1-t)y)

(4)

函数f是严格凸的。

若对于任意的x，y，z，其中x≤y≤z，都有

f(z)≤max{f(x)，f(y)}，

(5)

则称函数f是几乎凸的。

2 星地通信系统

星地混合通信系统的组成示意图如图1所示，地面无线移动通信网又称为辅助地面网络(ATN)，其中的地面移动终端称为辅助地面组件(ATC)。空间网络与ATN互联互通、无缝一体，籍以实现无处不在的全方位通信能力。

图1 星地混合通信系统Fig.1 Satellite-ground hybrid communication system

卫星将面临如下干扰：各种上行干扰源的干扰，既包括非法用户和敌对势力的恶意干扰，也包含己方的无意影响；未授权接入者对卫星前向链路下行信号的非法窃听与截取。

2.1 星地通信模型

针对星地混合通信系统前向链路中存在卫星非法窃听与截取链路的安全问题，由于卫星窃听节点比较隐藏，很难获取窃听节点的信道信息CSI，为此提出将地面基站发送信号作为一种协同干扰的波束成形技术，协同干扰技术通过引入地面基站发送干扰信号来恶化卫星窃听节点的接收性能。采用随机的信道模型前提下，基于中断概率准则，结合凸优化技术，设计一种安全算法实现星地通信物理层安全传输。

假设地面卫星传输信号为X，则通过前向链路上行到达GEO卫星(地球静止轨道卫星)，再由GEO卫星经前向下行链路到达用户终端，得到接收信号为Y，整个过程可表示为

Y=H2[H1X+N1]+N2，

(6)

式中：H1、H2分别表示前向上行、前向下行的星地混合通信系统信道响应，卫星移动信道十分复杂，在本文中暂不考虑信道对其影响；N1、N2表示GEO卫星处、用户终端处的噪声，一般为高斯白噪声，N1、N2～CN(0,σ2),即噪声服从均值为0，方差为σ2的正态分布。

定义卫星源点为s，地面目的节点为d，对前向下行链路中传输的信号进行实时监控，当链路容量不能满足所需求的用户速率时会产生中断时间，这个事件发生的概率由链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型决定。在链路传输过程中的瞬时信噪比为

(7)

(8)

式中f为信道模型函数。

链路的瞬时容量为

(9)

因此当要求速率为R时，中断概率定义为

Pout=Pr[I

(10)

式中C(n)=22R-1，表示瞬间信道容量。

通过式(10)计算在某一时间段[t1,t2]信号信噪比函数所对应的中断概率集合可以表示为Pout，Pout=[P1,P2,…,PN]，N表示集合个数。随后对中断概率集合进行凸优化处理，将中断概率集合Pout作为一个凸集，设其对应的凸函数为ω，约束条件为φ1,φ2,…,φM，M为约束函数的个数，进行凸优化处理，即：

minω,

s.t.φ1≤0,φ2≤0,…,φM≤0，

(11)

根据约束条件可分离变量得到最优结果x1,x2,…,xm，m为最优结果个数，即最有可能出现窃听点的节点位置，得到最优可能出现的窃听节点，对其进行干扰与拦截，完成星地通信物理层信息的安全传输。

2.2 波束成形算法

2.2.1 算法实现流程

在信号传输过程中，前向上行与前向下行链路均有可能出现干扰信号恶化卫星窃听节点的接收性能，本文利用中断概率准则和凸优化技术，对干扰信号进行拦截或干扰。图2所示为追踪算法实现具体流程图。

图2 算法实现具体流程图Fig.2 Specific flow chart of algorithm implementation

2.2.2 算法实现基本步骤

1)对前向链路传输过程实时监控得到在时间段[t1,t2]内的中断概率集合Pout；

2)对中断概率集合Pout进行凸优化算法处理，得到最优可能的窃听或干扰节点；

3)在窃听或干扰节点处进行反干扰操作，实现通信物理层安全传输。

3 仿真结果与分析

仿真结果如图3所示，本文从接收天线Nr=1，2，3进行仿真研究。从图3可以看出，在相同信噪比情况下，随着接收天线的增加，对于窃听节点的位置能较快地定位；当信噪比增大到一定程度时追踪的时间保持不变，并且随着信噪比的增加，定位窃听节点所需要的时间越来越短。当信噪比越大即信号质量越好时，受干扰影响越小，追踪到窃听节点位置越快。现有文献鲜有在传输信号时利用信号性质来对窃听或干扰信号进行反干扰处理，本算法具有一定的研究价值。

图3 窃听节点定位时间仿真结果Fig.3 Simulation results of eavesdropping node location time

4 结束语

本文基于中断概率准则，结合凸优化技术，在采用随机信道模型下，设计的实现星地通信物理层信息安全传输算法，有效地干扰了对星地通信系统中前向链路的信号窃听，同时确保了卫星合法节点的正常通信。