无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端。


背景技术：

2.目前，随着地面卫星通信网络(ground-to-satellite communication networks，g2sn)的迅速扩散，如何确保在网络中进行可行和可靠的传输已成为一个日益重要的问题。一方面，由于无线信道的开放性和广播的性质，g2sn很难避免机密信息泄漏，从而导致严重的敌方窃听。并且在g2sn中，长传输距离和掩蔽效应都会导致较大的路径损耗。所以，信号必须在高功率下传输，以抵抗严重衰减。但大的传输功率会导致g2sn的窃听风险增加。另一方面，传统密码加密不适用于g2sn。在g2sn中，大规模分布的用户会在密钥分发和管理方面带来不可预见的挑战。而且，加密通常低估了非法用户的计算能力，随着计算能力的提高，信息泄漏是一个严重的问题。
3.物理层安全作为密码加密的补充，已被用于为g2sn提供有前景的安全解决方案。物理层安全可以在不受计算能力限制的情况下保护机密信息。例如，友好干扰是g2sn中一种流行的物理层安全方法，干扰信号可以由发射机发射，以防止窃听。最近，无人机(unmanned aerial vehicle，uav)凭借自己的灵活性和机动性，越来越受到关注，许多研究考虑利用uav实现友好干扰，支持安全可靠的通信。然而，在现有的大多数研究中，当发出干扰信号干扰窃听者时，合法传输的质量也不可避免地受到削弱。特别是对于有秘密窃听者的大型网络，精确地向窃听者发出干扰信号要困难得多。因此，急需设计一种新的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.1、传统加密方式中大规模分布的用户会在密钥分发和管理方面带来不可预见的挑战。而且，加密通常低估了非法用户的计算能力，随着计算能力的提高，信息泄漏是一个严重的问题。
6.2、卫星向地面通信时为了增加地面接受信号的强度不免会提高发射功率，导致信道的窃听风险增加，地面窃听者更容易接收到系统中的通信信息。
7.3、使用物理层安全的干扰器进行友好干扰时，当干扰器发出干扰信号干扰窃听者的同时，合法传输的质量也会受到干扰；对于有秘密窃听者的大型网络，干扰器无法做到精确地向窃听者发出干扰信号，结果是合法传输的吞吐量下降。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法、系统及终端。
9.本发明提出的空中辅助方案来保护g2sn中的机密信息传输。面对秘密地面窃听者，uav充当地面用户和卫星之间的辅助设备，以缓解合法用户的信息泄漏。本发明引入窃
听概率作为存在窃听者的g2sn场景下窃听风险的度量。同时，还通过引入连通性来分析方案的可靠性。
10.本发明是这样实现的，一种无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括：构建窃听g2sn模型；基于窃听g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；分别分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能和可靠性能。
11.进一步，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括以下步骤：
12.步骤一，构建存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型；
13.步骤二，基于存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；
14.步骤三，利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能；
15.步骤四，引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的可靠性能。
16.进一步，所述步骤一中的存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型由地面用户、窃听者、无人机、卫星四部分组成，地面用户通过合法链路与卫星通信，窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息。
17.所述g2sn模型中，地面用户按照密度为λg的齐次泊松点过程分布在水平面上，通过合法链路与卫星通信，且卫星位于固定高度hs；窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息，并且窃听者的确切位置无人机并不知道。多个uav随机部署在空中，高度为hu，类似于地面用户，它们遵循密度为λu的齐次泊松点过程。地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星。此外，本发明提出的方案在uav和卫星上使用定向天线，以减少窃听者方向上的信息泄漏，这样可以有效的让干扰器进行友好干扰而减少对于合法用户信道的影响。值得注意的是，考虑到地面节点(即地面用户和窃听者)需要在所有方向上均匀地发送或者接收信号，因此g2sn模型在地面节点上部署全向天线以实现最大覆盖。
18.进一步，所述步骤二中的基于存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型包括：
19.(1)地面链路/低空链路：地面链路是指地面节点之间的传输链路；将从地面用户到窃听者的地面链路表示为g＝{ge}，用于地面节点和无人机群之间传输的低空链路用l＝{gu,ue}表示；当两种类型的链路都遭受路径损耗和瑞利衰落，并将接收功率表示为：
[0020][0021]
其中，p
g,l
是传输功率，l
g,l
表示两个节点之间的传输距离，h
g,l
为服从指数分布的信道系数，平均值为1/μ
g,l
，α
g,l
代表路径损耗因子；g
{g,u}
是发射天线的增益，g
{e,u}
是接收天线的增益；对于所有配备全向天线的地面节点gg和ge是全向天线的增益，将gg＝ge＝1；采用keyhole模型描述定向天线，所述天线由一个主瓣和一个旁瓣组成；对于uav，低空链路中的天线增益gu表示为主瓣接收/发射和旁瓣接收/发送主瓣和旁瓣的天线增益用gm和gb表示，遵循以下关系：
[0022][0023]
其中，θm表示主瓣的波束宽度，联合旁瓣/后瓣的波束宽为2π-θm。
[0024]
(2)高空链路：高空链路是指无人机与卫星之间的传输链路，高空链路几乎不受障碍物的影响；信号只会受到路径损耗，卫星接收功率表示为：
[0025][0026]
其中，p
us
是无人机的发射功率，gu是uav的发射天线增益，gs是卫星的接收天线增益；l
us
表示uav与卫星之间的距离，α
us
是路径损耗因子。
[0027]
(3)直接链路：合法地面用户和卫星之间的传输链路被描述为直接链路，用d＝{gs}表示；直接链路被描述为从gu3和gu5到卫星的链路，采用独立的同分布shadowed-rician衰落来模拟直接链路，卫星接收的功率为：
[0028][0029]
其中，ld是直接链路的距离，αd＝2表示瞬时自由空间损耗；hd是信道系数。由于衰落严重性的参数m是一个范围在[0，∞)内的一个任意整数，hd的概率密度函数表示为：
[0030][0031]
其中，ω和2ρ分别表示视线链路和多径分量的平均功率；1f1(a,b,c)是一个合流超几何函数，改写为：
[0032][0033]
进一步，所述步骤三中的利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能包括：
[0034]
窃听概率被定义为窃听者接收和解码机密信息的概率。信号从地面用户传输后，通过空中辅助设备到达卫星。用表示的地面链路的窃听概率表示如下：
[0035][0036]
其中，γe是窃听器处的信噪比阈值，lg是窃听器与地面用户之间的距离，l
max
是最大窃听范围，σ2是高斯白噪声。
[0037]
将窃听器的接收功率阈值指定为ηe，最大窃听范围表示为：
[0038][0039]
窃听者只能获取出现在最大窃听范围l
max
内的合法用户发送的信号，窃听者只有在接收到的sinr大于阈值γe时才能成功解码机密信息，故地面窃听链路的窃听概率表示为并推导为：
[0040][0041]
其中，表示事件的概率，代表预期值，ig表示来自其他用户的干扰，是来自其他地面用户的累积干扰的拉普拉斯变换，计算为：
[0042][0043]
其中，是其他干扰用户的集合，(a)基于概率生成函数的特性：是其他干扰用户的集合，(a)基于概率生成函数的特性：lg的pdf表示为：
[0044][0045]
低空链路的窃听概率计算为：
[0046][0047]
其中，l
ue
是低空窃听链路的距离。l
ue
的取值范围为[hu，l
max'
]，其中l
max'
是低空窃听链路的最大窃听范围。同时有表达，表示uav的旁瓣的天线增益。
[0048]
根据窃听概率的初步结果，将空中辅助方案的窃听概率计算为的窃听概率计算为如下所示：
[0049][0050]
进一步，所述步骤四中的引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的可靠性能包括：
[0051]
链路连通性被引入作为评估传输可靠性的指标，被定义为成功建立合法链路的概率，表示合法用户能够接收和解码机密信息的概率。
[0052]
在空中辅助方案中，有两种类型的传输链路，包括低空链路和高空链路。空中辅助方案的链路连通性用来计算，其中分别表示低空链路的连通性和高空链路连通性，表示为：
[0053][0054]
其中，uav接收到的来自其他用户的累积干扰可分为主瓣干扰和旁瓣干扰和分别表示与的拉普拉斯变换，推导为：
[0055][0056]
其中，2f1(a,b,c)是高斯超几何函数；计算干扰用户到uav的最大传输距离ηu是无人机的接收功率阈值，的拉普拉斯变换表示为：
[0057][0058]
其中，l
min
＝hu(tan2(θu/2)+1)
1/2
表示uav旁瓣的最小干扰距离。
[0059]
对于高空链路的连通性，计算如下：
[0060][0061]
其中，γs是卫星的sinr阈值；uav与卫星在空中平台上的投影之间的距离用d
us
表示，i
us
和i
gs
分别是uav和地面用户在卫星上的累积干扰，将i
us
表示为：
[0062][0063]
其中，l
js
表示第j个uav与卫星之间的距离，是干扰uav出现在卫星as主瓣覆盖区域的概率，计算为：
[0064][0065]
其中，x是出现在卫星主瓣覆盖区域的无人机数量，
[0066]
对于地面用户i
gs
的累积干扰，给出卫星接收功率的概率分布函数，如下所示：
[0067][0068]
其中，是干扰信号的平均自由空间路径损耗；将ai表示为干扰区域，累积干扰i
gs
表示为：
[0069][0070]
通过调整无人机处的天线波束宽度θ
u'
和卫星处的θs实现
[0071]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障系统，所述无人机辅助的地面卫星通信的安全保障系统包括：
[0072]
g2sn模型构建模块，用于构建存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型；
[0073]
信道模型分析模块，用于基于存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；
[0074]
安全性能分析模块，用于利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能；
[0075]
可靠性能分析模块，用于通过引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的可靠性能。
[0076]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法的步骤。
[0077]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法的步骤。
[0078]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障系统。
[0079]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0080]
第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0081]
传统加密方式中大规模分布的用户会在密钥分发和管理方面带来不可预见的挑战。针对此，本发明使用物理层安全的方式来解决此问题。
[0082]
物理层安全作为密码加密的补充，已被用于为g2sn提供有前景的安全解决方案。物理层安全可以在不受计算能力限制的情况下保护机密信息。友好干扰是g2sn中一种流行的物理层安全方法，干扰信号可以由发射机发射，以防止窃听。但是在现有的大多数研究中，当发出干扰信号干扰窃听者时，合法传输的质量也不可避免地受到削弱。本发明在传统
的g2sn模型中加入了无人机作为一个空中辅助设备去中继卫星到地面的信号，地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星，避免卫星直接大功率的发射通信信号给地面节点，降低了被窃听的风险。
[0083]
另外使用无人机作为空中辅助设备也有效的提高了g2sn模型中存在窃听者的情况下，卫星和地面用户的连接概率，提高了传统g2sn模型中信道的插传输质量。
[0084]
本发明提出了一种空中辅助方案来保护g2sn中的机密信息传输，并通过一系列仿真结果证明此方案可以实现面对秘密地面窃听者，可以有效的缓解合法用户的信息泄漏。本发明中提出了一种空中辅助方案来保护地面卫星通信网络中的机密信息传输，该方案的主要优势在于：
[0085]
1.面对秘密地面窃听者，无人机充当地面用户和卫星之间的辅助设备，可以降低合法用户的机密信息的被窃听风险，并且还同时保证g2sn中合法用户的通信质量。
[0086]
2.本发明在无人机和卫星发射端使用了定向天线来以减少窃听者方向上的信息泄露。
[0087]
3.本发明通过引入了窃听概率，对于存在窃听者的地面卫星通信网络，窃听概率可以作为一个有效的窃听风险的度量。同时，还引入了连通性来分析方案的可靠性。
[0088]
4.本发明通过与非保护方案的比较，充分验证了空中辅助方案在防止窃听方面的有效性。此外，在用户密集的情况下，发明提出的方案可以提供相对较高的连接性。
[0089]
5.本发明讨论了空中辅助方案在不同参数设置下的性能，并提供了有用的部署洞察力，在大多数信道状态下，空中辅助方案可以显著降低窃听概率。
[0090]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点(无人机的移动性的优点，降低窃听概率，增加连接概率从而提高吞吐量)，具体描述如下：
[0091]
本发明提出了一种空中辅助方案来保护g2sn中的机密信息传输，方案中利用了无人机的移动性以及易于部署的优点，作为辅助通信的空中辅助设备。本发明中使用无人机的无人机可以用来中继卫星和地面用户的信息，地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星，避免卫星直接大功率的发射通信信号给地面节点，降低了被窃听的风险。
[0092]
本发明利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，并进一步推导出本发明提出的方案中该指标的闭式表达式。窃听概率被定义为窃听者接收和解码机密信息的概率。
[0093]
本发明引入链路连通性(连接概率)作为评估传输可靠性的指标，它被定义为成功建立合法链路的概率，即合法用户能够接收和解码机密信息的概率。
[0094]
窃听概率和链路的连通性作为系统的评价指标充分验证了本发明提出的空中辅助方案比起无辅助方案在防止窃听方面的有效性。并且，在用户密集的情况下，发明提出的方案可以提供相对较高的连接性
[0095]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0096]
(1)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
[0097]
物理层安全作为密码加密的补充，可以在不受计算能力限制的情况下保护机密信息。友好干扰是g2sn中一种流行的物理层安全方法，干扰信号可以由发射机发射，以防止窃听。但是在现有的大多数研究中，当发出干扰信号干扰窃听者时，合法传输的质量也不可避
免地受到削弱，旧的方案并不能很好的降低窃听风险的同时保证g2sn的通信质量。本发明在传统的g2sn模型中加入了无人机作为一个空中辅助设备去中继卫星到地面的信号，地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星，避免卫星直接大功率的发射通信信号给地面节点，降低了被窃听的风险。另外使用无人机作为空中辅助设备也有效的提高了g2sn模型中存在窃听者的情况下卫星和地面用户的连接概率，提高了传统g2sn模型中信道的插传输质量。
[0098]
(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
[0099]
物理层安全中友好干扰是g2sn中一种流行的物理层安全方法，干扰信号可以由发射机发射，以防止窃听。但是在现有的大多数研究中，当发出干扰信号干扰窃听者时，合法传输的质量也不可避免地受到削弱，旧的方案并不能很好的降低窃听风险的同时保证g2sn的通信质量。
[0100]
本发明所提出的保护g2sn中的机密信息传输的空中辅助方案，无人机作为一个空中辅助设备去中继卫星到地面的信号，地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星。本发明提出的方案可以有效的降低窃听风险的同时保证g2sn的通信质量。
附图说明
[0101]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0102]
图1是本发明实施例提供的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法的流程图；
[0103]
图2是本发明实施例提供的g2sn的空中辅助方案的系统模型图；
[0104]
图3是本发明实施例提供的不同方案下地面用户密度对窃听概率的影响情况图；
[0105]
图4是本发明实施例提供的不同方案下地面用户密度对连接概率的影响情况图；
[0106]
图5是本发明实施例提供的不同的路径损耗因子下无人机群密度对窃听概率的影响情况图；
[0107]
图6是本发明实施例提供的不同的无人机群密度下无人机的天线波束宽度对窃听概率的影响情况图；
[0108]
图7是本发明实施例提供的不同的无人机群密度下无人机部署高度对窃听概率的影响情况图。
具体实施方式
[0109]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0110]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无人机辅助的地面卫星通信的安全
保障方法、系统及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0111]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0112]
如图1所示，本发明实施例提供的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法包括以下步骤：
[0113]
s101，构建存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型；
[0114]
s102，基于存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；
[0115]
s103，利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能；
[0116]
s104，引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的可靠性。
[0117]
作为优选实施例，本发明实施例提供的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障方法具体包括以下步骤：
[0118]
步骤1：建立一个存在窃听者的地面卫星通信网络，g2sn网络由地面用户、窃听者、无人机、卫星四部分组成，其中地面用户通过合法链路与卫星通信。窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息。
[0119]
步骤2：提出一种空中辅助方案来减少g2sn中的信息泄漏。在本发明的方案中，多个uav随机部署在空中，类似于地面用户。地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中助理继续将信息转发给卫星。在uav和卫星上都使用定向天线，以减少窃听者方向上的信息泄漏；同时，考虑到地面节点(即地面用户和窃听者)需要在所有方向上均匀传输和接收信号，因此本发明在其上部署全向天线以实现最大覆盖。
[0120]
步骤3：旨在分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能。具体来说，利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，并进一步推导出本发明提出的方案中该指标的闭式表达式。窃听概率被定义为窃听者接收和解码机密信息的概率。
[0121]
步骤4：重点讨论了在空中辅助方案下g2sn的可靠性。具体来说，链路连通性被引入作为评估传输可靠性的指标，它被定义为成功建立合法链路的概率，即合法用户能够接收和解码机密信息的概率。
[0122]
本发明提出了一种空中辅助方案来保护g2sn中的机密信息传输，并通过一系列仿真结果证明此方案可以实现面对秘密地面窃听者，可以有效的缓解合法用户的信息泄漏。为了方便叙述实施的具体方式，先进行模型背景的介绍。
[0123]
在本发明中，本发明考虑如图2所示的窃听g2sn模型，其中地面用户按照密度为λg的齐次泊松点过程分布在水平面上，通过合法链路与卫星通信。在此，本发明假设卫星位于固定高度hs。此外，窃听者随机出现在地面用户周围，窃听地面用户和卫星之间的机密信息。值得一提的是，窃听者的确切位置尚不清楚。
[0124]
本发明提出了一种空中辅助方案来减少g2sn中的信息泄漏。在本发明提出的方案中，多个uav随机部署在空中，高度为hu，类似于地面用户，无人机群的服从密度为λu的齐次泊松点过程。
[0125]
地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中助理继续将
信息转发给卫星。此外，本发明在uav和卫星上都使用定向天线，以减少窃听者所在方向的信息泄漏。值得注意的是，考虑到地面节点(即地面用户和窃听者)需要在所有方向上均匀传输和接收信号，因此本发明在其上部署全向天线以实现最大覆盖。
[0126]
基于图2中的网络模型，本发明进一步总结了四种信道模型，包括地面链路、低空链路、高空链路和直接链路，具体介绍如下：
[0127]
1)地面链路/低空链路：地面链路是指地面节点之间的传输链路。特别是，本发明将从地面用户到窃听者的地面链路表示为g＝{ge}(如图2中的gu5到e3)。类似地，用于地面节点和无人机群之间传输的低空链路(例如gu1、e1和u1之间)用l＝{gu,ue}表示。在本发明中，假设两种类型的链路都遭受路径损耗和瑞利衰落，并进一步将接收功率表示为：
[0128][0129]
其中，p
g,l
是传输功率，l
g,l
表示两个节点之间的传输距离，h
g,l
为服从指数分布的信道系数，平均值为1/μ
g,l
，α
g,l
代表路径损耗因子。此外，g
{g,u}
是发射天线的增益，g
{e,u}
是接收天线的增益。具体来说，对于所有配备全向天线的地面节点gg和ge是全向天线的增益，将gg＝ge＝1；。相比之下，为了简化理论分析，本发明采用keyhole模型来描述定向天线，该天线由一个主瓣和一个旁瓣组成。因此，对于uav，低空链路中的天线增益gu可以表示为(主瓣接收/发射)和(旁瓣接收/发送)。特别是，主瓣和旁瓣的天线增益(用gm和gb表示)遵循以下关系：
[0130][0131]
其中，θm表示主瓣的波束宽度，联合旁瓣/后瓣的波束宽为2π-θm。
[0132]
2)高空链路：高空链路是指无人机与卫星之间的传输链路(如图2所示，从u1和u2到卫星)。与低空链路不同，高空链路几乎不受障碍物的影响。信号只会受到路径损耗，因此卫星接收功率可以表示为：
[0133][0134]
其中，p
us
是无人机的发射功率，gu是uav的发射天线增益，gs是卫星的接收天线增益。此外，l
us
表示uav与卫星之间的距离，α
us
是路径损耗因子。
[0135]
3)直接链路：合法地面用户和卫星之间的传输链路被描述为直接链路，可以用d＝{gs}表示。特别是，在图2中，直接链路被描述为从gu3和gu5到卫星的链路。为了表示一个真实的信道，本发明采用独立的同分布shadowed-rician衰落来模拟直接链路。在这种情况下，卫星接收的功率为：
[0136][0137]
其中，ld是直接链路的距离，αd＝2表示瞬时自由空间损耗。此外，hd是信道系数。由于衰落严重性的参数m是一个范围在[0，∞)内的一个任意整数，hd的概率密度函数表示为：
[0138][0139]
其中，ω和2ρ分别表示视线(los)链路和多径分量的平均功率。此外，1f1(a,b,c)是一个合流超几何函数，可以进一步改写为：
[0140][0141]
接下来进行安全性能分析，本发明重点分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能。具体来说，本发明利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，并进一步推导出本发明的方案中该指标的闭式表达式。值得注意的是，窃听概率被定义为窃听者接收和解码机密信息的概率。
[0142]
在本发明的方案中，信号从地面用户传输后，先通过空中辅助设备，然后才能到达卫星。然而，这两个步骤都面临着机密信息泄露的威胁。特别是，由于全向天线的全覆盖，窃听者可以通过地面链路窃听传输的信号。当uav通过定向天线将信号转发给卫星时，旁瓣泄漏的信息也可以通过低空链路被窃听者获取。
[0143]
用表示的地面链路的窃听概率表示如下：
[0144][0145]
其中，γe是窃听器处的信噪比阈值，lg是窃听器与地面用户之间的距离，l
max
是最大窃听范围，σ2是高斯白噪声。
[0146]
证明：考虑到元件灵敏度的限制，将窃听器的接收功率阈值指定为ηe。那么最大窃听范围可以表示为：
[0147][0148]
值得注意的是，窃听者只能获取出现在最大窃听范围l
max
内的合法用户发送的信号。此外，窃听者只有在接收到的sinr大于阈值γe时才能成功解码机密信息。因此，地面窃听链路的窃听概率可以表示为并进一步推导为：
[0149][0150]
其中，表示事件的概率，代表预期值，ig表示来自其他用户的干扰，是来自其他地面用户的累积干扰的拉普拉斯变换，可计算为：
[0151]
[0152]
其中，是其他干扰用户的集合，(a)基于概率生成函数的特性：是其他干扰用户的集合，(a)基于概率生成函数的特性：此外，lg的pdf可以表示为：
[0153][0154]
因此，如式(7)所示，的最终表达式可以通过在式(9)中插入式(11)和式(10)得到。
[0155]
按照证明中的类似推导过程，低空链路的窃听概率可计算为：
[0156][0157]
其中，l
ue
是低空窃听链路的距离。l
ue
的取值范围为[hu，l
max'
]，其中l
max'
是低空窃听链路的最大窃听范围。同时有表达，表示uav的旁瓣的天线增益。
[0158]
根据窃听概率的初步结果，可以将空中辅助方案的窃听概率计算为的窃听概率计算为如下所示：
[0159][0160]
本发明还重点关注了在空中辅助方案下g2sn的可靠性。具体来说，链路连通性被引入作为评估传输可靠性的指标，它被定义为成功建立合法链路的概率，即合法用户能够接收和解码机密信息的概率。
[0161]
在空中辅助方案中，有两种类型的传输链路，包括低空链路和高空链路。因此，空中辅助方案的链路连通性可以用来计算，其中分别表示低空链路的连通性和高空链路连通性。根据式(9)的类似推导过程，可以表示为：
[0162][0163]
其中，uav接收到的来自其他用户的累积干扰可分为主瓣干扰和旁瓣干扰和分别表示与的拉普拉斯变换。参考式(10)，可以推导为：
[0164][0165]
其中，2f1(a,b,c)是高斯超几何函数。使用式(8)中所示的相同方法，可以通过以下公式计算干扰用户到uav的最大传输距离ηu是无人机的接收功率阈值。随后，的拉普拉斯变换可以表示为：
[0166][0167]
其中，l
min
＝hu(tan2(θu/2)+1)
1/2
表示uav旁瓣的最小干扰距离。
[0168]
此外，对于高空链路的连通性，可以计算如下：
[0169][0170]
其中，γs是卫星的sinr阈值。uav与卫星在空中平台上的投影之间的距离用d
us
表示，i
us
和i
gs
分别是uav和地面用户在卫星上的累积干扰。特别是，可以将i
us
表示为：
[0171][0172]
其中，l
js
表示第j个uav与卫星之间的距离，是干扰uav出现在卫星as主瓣覆盖区域的概率，可计算为：
[0173][0174]
其中，x是出现在卫星主瓣覆盖区域的无人机数量，
[0175]
与推导i
us
不同，对于地面用户i
gs
的累积干扰，首先给出卫星接收功率的概率分布函数，参考式(4)和(5)，如下所示：
[0176][0177]
其中，是干扰信号的平均自由空间路径损耗。本发明将ai表示为干扰区域，然后，累积干扰i
gs
可以表示为：
[0178][0179]
值得一提的是，卫星和空中辅助设备都可以缩小天线波束宽度，以增加主瓣增益。一方面，当其他参数固定时，天线增益的增加可以降低长传输链路造成的较大路径损耗，从而在卫星上产生相对较高的接收功率。另一方面，分布在天线主瓣覆盖区域内的uav和地面用户的累积干扰可以随着天线波束宽度的减小而减小。因此，可以通过调整无人机处的天线波束宽度θ
u'
和卫星处的θs实现
[0180]
本发明实施例提供的无人机辅助的地面卫星通信的安全保障系统包括：
[0181]
g2sn模型构建模块，用于构建存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型；
[0182]
信道模型分析模块，用于基于存在窃听者的地面卫星通信网络g2sn模型，分析地面链路、低空链路、高空链路和直接链路在内的四种信道模型；
[0183]
安全性能分析模块，用于利用窃听概率作为衡量g2sn中窃听风险的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的安全性能；
[0184]
可靠性能分析模块，用于通过引入链路连通性作为评估传输可靠性的指标，分析在空中辅助方案下g2sn的可靠性能。
[0185]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0186]
本发明的应用针对低轨卫星通信系统。旨在解决低轨卫星通信中g2sn的通信质量差，合法用户的机密信息的被窃听的风险高的问题。
[0187]
低轨卫星通信可以解决陆地移动通信解决不了的偏远地区、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通信问题，但由于卫星与地面终端间的路径损耗、大气吸收损耗(如雨衰等)等都非常大，若要提高传输率，就要加大发射功率及增大地面用户天线口径，结果是卫星通信的频谱利用效率、每比特能耗两个关键指标仍然不高，并且由于加大了卫星的发射功率，使g2sn中的机密信息传输面临极大的被窃听风险。
[0188]
目前，低轨卫星通信的安全传输主要依靠上层的安全协议实现，但是传统的密钥方案在足够的计算能力下可以被破解。目前流行采用使用物理层安全的友好干扰针对这一问题，但是友好干扰在降低窃听者信道质量的同时也会降低合法用户的信道质量，导致g2sn的整体吞吐量下降。
[0189]
针对上述情景，本发明所提出的保护g2sn中的机密信息传输的空中辅助方案，无人机作为一个空中辅助设备去中继卫星到地面的信号，地面用户的机密信息可以先以相对较低的功率传输给uav，然后空中辅助设备继续将信息转发给卫星。本发明提出的方案可以有效的降低窃听风险的同时保证g2sn的通信质量。
[0190]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0191]
最后，本发明给出了数值结果来验证本发明提出的方案的有效性。首先介绍了本发明的参数设置。之后，本发明讨论了g2sn在空中辅助方案下的性能，即窃听概率和链路连通性。此外，本发明还分析了uav的密度、uav的天线波束宽度和uav部署高度等主要参数的影响。
[0192]
首先介绍参数设置，为了反映实际情况，本发明将卫星hs的部署高度设置为200km，相应地，卫星θs的天线波束宽度为π/180。当地面的合法用户直接与卫星通信时，其发射功率设置为p
gs
＝40w，以抵抗信号的高衰减。此外，直接链路的信道参数设置为(m，ρ，ω)＝(2,0.251,0.279)，高斯白噪声为σ2＝45dbm。针对空中辅助方案，uav部署高度设置为hu＝750m。在低空链路中，地面用户的发射功率为1w。而在高空链路中，uav的发射功率是p
us
＝30w，无人机的天线波束宽度设置为θ
u'
＝π/12。uav和窃听者的sinr阈值分别设置为γu＝10-3
，γe＝10-3
。请注意，本发明中提到的地面用户和uav的密度以平方米为单位。
[0193]
接下来对本发明进行性能分析和仿真结果讨论。在图3和图4中，共同研究了g2ns在空中辅助和非保护方案下的性能。标记符号表示模拟结果，而理论结果以曲线表示。首先，由图可以发现理论结果与仿真结果相匹配，验证了本发明的理论模型的准确性。如图3所示，窃听概率随着地面用户密度λg的增加而增加，最终达到1。与非保护方案相比，很容易发现本发明提出的方案可以显著降低窃听概率，尤其是密度λg在[10-6
,10-4
]的范围内。此外，如图4显示，当g2sn中存在大量用户时，空中辅助方案也可以提供比非保护方案更可靠的传输。因此，本发明提出的方案可以在保护g2sn中的信息传输方面取得显著的效果。
[0194]
进一步分析主要参数对窃听概率的影响，如图5、图6、图7中的无人机的密度、天线波束宽度和部署高度。其中，图5显示了在不同的路径损耗因子α
ue
下，无人机的λu的密度变化对窃听概率的影响。如图5所示，当α
ue
＝3时，曲线先上升，然后随着λu的增加逐渐趋于平坦。相比之下，值近乎稳定，α
ue
＝2。此外，在相对较差的信道状态下(即α
ue
＝4)，无论密度λu如何变化，窃听者都更难窃听机密信息。因此，在大多数信道状态下，空中辅助方案可以显著降低窃听概率。
[0195]
在图6中，本发明分析了在不同无人机群的密度λu下，无人机处接收天线波束宽度θu对的窃听概率的影响。如图6所示，曲线随着θu的增加而上升。此外，较低的无人机群密度λu下的值(即λu＝10-8
)比较高时要小得多，因为更多用户的数据传输可能会导致更大的信息泄漏风险。当λu从10-7
增加到10-6
时的增量尤为明显。值得一提的是，无论无人机群的密度如何变化，空中辅助方案都可以通过缩小无人机处的接收天线波束宽度来降低窃听概率，特别是当g2sn中分布大量的无人机时。这种方法依旧有效。
[0196]
图7显示了不同hu值下的窃听概率从中可以观察到，当网络中无人机群的密度较低时(即λu＝10-7
)，很难受到部署高度hu的影响。然而，当无人机群的密度λu增加时，窃听者有更多机会窃听合法通信。另外，可以通过调整无人机的部署高度来尽可能的降低窃听概率。值得注意的是，当λu＝10-6
时，随着hu从1000m增加到3000m，值反而显著降低。因此，当大量uav部署在空中平台上时，可以通过增加uav部署高度来保证传输的安全性。
[0197]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模
集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0198]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。