卫星通信系统的物理层安全关键技术研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

本文围绕卫星通信系统的星地链路通信安全问题展开，以提高卫星通信的保密性为最终目标。合法用户与窃听用户距离较近时，合法信道与窃听信道近似相等，因而传统的地面无线通信物理层安全技术不适用于卫星安全通信。针对这一问题，提出了卫星通信系统物理层安全通信模型。在此模型的基础上，重点研究了中继选择和功率分配技术，以达到增强卫星通信保密性能的目的。

首先，本文提出了协作-直连混合星地物理层安全通信模型。根据合法用户与窃听用户间距离的远近决定传输模式。当距离较近时，添加同时同频协作干扰中继，对窃听者进行干扰，降低窃听者的接收信号质量，从而获得保密容量。同时，通过理论推导，验证了该模型实现卫星通信安全的可行性。

其次，本文在星地安全通信模型的基础上，研究了增强系统保密中断概率性能的中继选择优化。在瞬时信道状态信息（Channel State Information，CSI）已知的情况下，理论推导了使保密中断概率最小的最优中继选择准则。然而，由于瞬时CSI是不断变化的，因此卫星通信系统需要不停地进行中继选择，增大了信令开销。除此之外，系统可能存在不能获取瞬时CSI的情况。所以，研究了已知统计CSI条件下的中继选择。理论推导了使保密中断概率最小时的近似最优的中继选择准则。仿真结果揭示出已知瞬时CSI条件下的中继选择的保密中断概率性能优于已知统计CSI条件下的中继选择。综合考虑系统的环境条件和两种中继选择方案的性能，给出了自适应的中继选择方案。

最后，本文在星地通信模型的基础上，研究了总的发射功率约束一定时卫星与中继间发射功率的分配，以增强系统的保密中断概率性能。推导出了系统保密中断概率最小时，功率分配因子基于瞬时CSI的最优表达式。由于瞬时CSI 的不停变化导致功率分配因子的不停更新，增大了系统的开销，同时系统可能存在无法获取瞬时CSI的情况。因此，为了解决这一问题，研究了基于统计CSI 的功率分配。推导了系统保密中断概率的非闭合表达式，进一步地推导了系统保密中断概率的近似闭合式，通过遍历功率分配因子的方式，求解了使保密中断概率闭合式的值最小时的基于统计CSI的功率分配因子。仿真验证了基于统计CSI的功率分配的复杂度可实现性以及基于瞬时CSI的功率分配保密中断概率性能优于基于统计CSI的功率分配，二者均增强了系统的保密性能。综合考虑系统的环境条件和两种功率分配方案的性能，给出了自适应的中继选择方案。

关键词：卫星通信；物理层安全；功率分配；中继选择；保密中断概率

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