系统工程与电子技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (5): 1361-1370.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2021.05.25

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卫星通信下行链路鲁棒安全波束成形设计

顾晨伟1(), 林志2(), 林敏1,*(), 解路瑶1(), 欧阳键1(), 黄硕3()   

  1. 1. 南京邮电大学通信与信息工程学院, 江苏 南京 210003
    2. 国防科技大学电子对抗学院, 安徽 合肥 230037
    3. 上海航天电子通讯设备研究所, 上海 201109
  • 收稿日期:2020-06-18 出版日期:2021-05-01 发布日期:2021-04-27
  • 通讯作者: 林敏 E-mail:15706290291@139.com;linzhi945@163.com;linmin@njupt.edu.cn;18895355968@163.com;ouyangjian@njupt.edu.cn;hskidd@163.com
  • 作者简介:顾晨伟(1995—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为卫星通信、通信信号处理。E-mail: 15706290291@139.com|林志(1992—), 男, 讲师,博士, 主要研究方向为星地融合网络、无线网络优化设计、阵列信号处理。E-mail: linzhi945@163.com|林敏(1972—), 男, 教授, 博士研究生导师,博士, 主要研究方向为无线通信系统、智能信号处理、天线新技术。E-mail: linmin@njupt.edu.cn|解路瑶(1996—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为无线通信、网络优化。E-mail: 18895355968@163.com|欧阳键(1983—), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为无人机通信技术、基于深度学习的信号处理技术、无线绿色安全传输技术。E-mail: ouyangjian@njupt.edu.cn|黄硕(1985—), 男, 高级工程师, 主要研究方向为无线/卫星通信系统设计及关键技术研究。E-mail: hskidd@163.com
  • 基金资助:
    重点国际合作项目(61720106003);上海航天科技创新基金(SAST2019-095);国家自然科学基金(61801234);江苏省研究生科研实践创新计划(SJCX19_0238)

Robust secure beamforming design for the downlink of satellite communications

Chenwei GU1(), Zhi LIN2(), Min LIN1,*(), Luyao XIE1(), Jian OUYANG1(), Shuo HUANG3()   

  1. 1. College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China
    2. School of Electronic Countermeasure, National University of Defense Technology, Hefei 230037, China
    3. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China
  • Received:2020-06-18 Online:2021-05-01 Published:2021-04-27
  • Contact: Min LIN E-mail:15706290291@139.com;linzhi945@163.com;linmin@njupt.edu.cn;18895355968@163.com;ouyangjian@njupt.edu.cn;hskidd@163.com

摘要:

针对多波束卫星通信系统下行链路存在多个窃听者的场景, 在仅已知窃听者大概位置的条件下, 提出了两种鲁棒安全波束成形(beamforming, BF)方案。一种是基于卫星总发射功率受限条件下的系统安全速率最大化准则, 提出了基于广义瑞利商的鲁棒BF方案, 得到了BF权矢量的解析解。另一种是基于安全速率和卫星总发射功率约束下的安全能效最大化准则, 提出了一种分式规划、罚函数以及凸差(difference of convex, DC)规划理论相结合的嵌套迭代算法, 完成鲁棒BF设计。仿真结果表明, 跟传统的非鲁棒BF方案相比, 所提出的两种鲁棒BF方案能够获得更好的安全性能。

关键词: 多波束卫星, 物理层安全, 鲁棒波束成形, 凸优化

Abstract:

Two robust secure beamforming (BF) schemes are proposed for multiple eavesdroppers in downlink of a multi-beam satellite communication system, where only the approximate locations of multiple eavesdroppers are known. On one hand, under the secrecy rate maximization criterion subject to the total satellite transmit power constraint, and a robust BF scheme based on the generalized Rayleigh quotient is proposed to obtain the analytical expression of BF weight vector. On the other hand, in order to obtain the maximal secrecy energy efficiency under the constraints of the secrecy rate and the total satellite transmit power, a nested iterative algorithm based on the combination of fractional programming, penalty function and difference of convex programming theory is proposed to implement the robust BF design. Simulation results show that the proposed two robust BF schemes can obtain better secrecy performance than the classical non-robust BF schemes.

Key words: multi-beam satellite, physical layer security, robust beamforming(BF), convex optimization

中图分类号: