多波束卫星网络的物理层安全机制和传输策略研究

With rapid development of satellite communication, it becomes one of the most important orientations to build multibeam satellite communication network with high security, and that becomes more and more important for social economic development and national defense building. In order to build a secure multibeam satellite network, we apply the physical layer security in satellite communication network in this project, which is a complement and enhancement way from the traditional information security through upper layer protocols. Different from terrestrial wireless network, satellite network has its own characteristics and security requirements. Such as long transmission delay between satellite and ground, dynamically changing channel state and high transmission error rate, limited bandwidth and power, and limited on-board computation and storage capacity. Combining of the methods of theory analysis and semi-hardware simulation, we first develop a novel multibeam physical layer security analysis model. Using nesting research approach, we investigate the security mechanism and transmission policies by taking the above characteristics and requirements in account recursively. By theory analysis, we study the relations between channel informations, power allocation policy, security strategy and the achievable security performance to explore the regularity of multibeam satellite network physical layer security. By semi-hardware simulation, the practicability and complexity of physical layer security policy will be analyzed and verified. In this project, we focus on the research of fundamental issues and regularity of multibeam satellite network physical layer security to pave the way for the further practical solution.

随着卫星通信的快速发展，构建安全可靠的多波束卫星网络，成为卫星通信发展的重要方向之一，对于社会经济发展和国防建设具有重要意义。基于构建安全的多波束卫星网络的目标，本项目将物理层安全技术引入多波束卫星网络中，作为上层安全算法的补充和增强。不同于地面无线网络，卫星网络具有其自身特点和要求，例如星地传输时延大、信道状态动态变化且误码率较高、带宽受限、功率受限、星上计算和存储能力受限等。本项目采用理论分析和半实物仿真相结合的方法，以构建新型多波束物理层安全分析模型为基础，采用嵌套式研究思路，将卫星网络的特点和要求逐项纳入其中，研究相应的安全机制和传输策略。通过理论分析，研究信道信息、功率分配策略、安全策略和安全性能之间的关系和规律，揭示多波束卫星网络物理层安全规律；通过半实物仿真，分析验证物理层安全策略的硬件实现需求和可行性。本项目侧重基本问题和规律，为进一步开展实用性研究提供理论和技术基础。

本课题以构建安全可靠的多波束卫星网络为目标，将物理层安全技术引入多波束卫星网络，作为上层安全算法的补充和增强。通过研究，建立了多波束卫星网络的物理层安全分析模型，构建了多波束卫星网络物理层安全性能评估指标体系，提出了一套切实可行的信道信息获取和反馈比特数的调整策略。针对多输入多输出多天线窃听模型和发送端未知窃听CSI的情况，提出了一种发送天线选择和最大比合并相结合的安全传输算法，可利用多天线的分集增益来提高安全性能。针对不同中继窃听系统，提出了联合信源、中继和目的端的预编码算法、基于非信任中继天线选择算法和基于交替迭代的信源、中继和目的端预编码算法。研究了基于无线信道特征的密钥提取及身份认证技术，提出了一种适用于单、多天线系统的基于随机系数－滑动窗的密钥提取方案。针对信道非理想互易和噪声导致CSI 不理想的情况，提出了一种基于小波分析的密钥提取方案。针对多载波系统物理层安全传输问题，提出了一种基于随机激活部分子载波的物理层安全传输方法。搭建了基于MIMO波束成形的数值仿真平台，支持4根天线的发送者、1根天线的合法接收者和2根天线的侦听者，仿真研究了不同波束成形策略的安全传输全过程。仿真结果表明，采用传统波束成形策略保证通信的安全性，而添加人工噪声的安全策略能够获得较好的安全性能，尽管合法接收端具有一定的性能损失，但可以使侦听者的误码率趋近于0.5；当发送端已知主信道和窃听信道信息时，最优波束成形可获得最大的安全性能，侦听者完全无法正确解调出发送信息；基于最大化信漏噪比的波束成形策略可获得与最优波束成形近似的性能。研制了半实物仿真平台，验证了物理层安全策略波束成形的可行性和物理实现需求。本课题研究结果对于物理层安全技术在多波束卫星网络中的实用化研究具有重要参考价值。