多波束衛星網路的物理層安全機制和傳輸策略研究

《多波束衛星網路的物理層安全機制和傳輸策略研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由馬東堂擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多波束衛星網路的物理層安全機制和傳輸策略研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬東堂
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

隨著衛星通信的快速發展，構建安全可靠的多波束衛星網路，成為衛星通信發展的重要方向之一，對於社會經濟發展和國防建設具有重要意義。基於構建安全的多波束衛星網路的目標，本項目將物理層安全技術引入多波束衛星網路中，作為上層安全算法的補充和增強。不同於地面無線網路，衛星網路具有其自身特點和要求，例如星地傳輸時延大、信道狀態動態變化且誤碼率較高、頻寬受限、功率受限、星上計算和存儲能力受限等。本項目採用理論分析和半實物仿真相結合的方法，以構建新型多波束物理層安全分析模型為基礎，採用嵌套式研究思路，將衛星網路的特點和要求逐項納入其中，研究相應的安全機制和傳輸策略。通過理論分析，研究信道信息、功率分配策略、安全策略和安全性能之間的關係和規律，揭示多波束衛星網路物理層安全規律；通過半實物仿真，分析驗證物理層安全策略的硬體實現需求和可行性。本項目側重基本問題和規律，為進一步開展實用性研究提供理論和技術基礎。

結題摘要

本課題以構建安全可靠的多波束衛星網路為目標，將物理層安全技術引入多波束衛星網路，作為上層安全算法的補充和增強。通過研究，建立了多波束衛星網路的物理層安全分析模型，構建了多波束衛星網路物理層安全性能評估指標體系，提出了一套切實可行的信道信息獲取和反饋比特數的調整策略。針對多輸入多輸出多天線竊聽模型和傳送端未知竊聽CSI的情況，提出了一種傳送天線選擇和最大比合併相結合的安全傳輸算法，可利用多天線的分集增益來提高安全性能。針對不同中繼竊聽系統，提出了聯合信源、中繼和目的端的預編碼算法、基於非信任中繼天線選擇算法和基於交替疊代的信源、中繼和目的端預編碼算法。研究了基於無線信道特徵的密鑰提取及身份認證技術，提出了一種適用於單、多天線系統的基於隨機係數－滑動窗的密鑰提取方案。針對信道非理想互易和噪聲導致CSI 不理想的情況，提出了一種基於小波分析的密鑰提取方案。針對多載波系統物理層安全傳輸問題，提出了一種基於隨機激活部分子載波的物理層安全傳輸方法。搭建了基於MIMO波束成形的數值仿真平台，支持4根天線的傳送者、1根天線的合法接收者和2根天線的偵聽者，仿真研究了不同波束成形策略的安全傳輸全過程。仿真結果表明，採用傳統波束成形策略保證通信的安全性，而添加人工噪聲的安全策略能夠獲得較好的安全性能，儘管合法接收端具有一定的性能損失，但可以使偵聽者的誤碼率趨近於0.5；當傳送端已知主信道和竊聽信道信息時，最優波束成形可獲得最大的安全性能，偵聽者完全無法正確解調出傳送信息；基於最大化信漏噪比的波束成形策略可獲得與最優波束成形近似的性能。研製了半實物仿真平台，驗證了物理層安全策略波束成形的可行性和物理實現需求。本課題研究結果對於物理層安全技術在多波束衛星網路中的實用化研究具有重要參考價值。