大规模多层近地轨道卫星网络中的隐蔽通信设计方法

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及多层近地轨道卫星网络中隐蔽通信的设计方法。

背景技术：

1、近地轨道道卫星系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统，其中卫星的分布称之为卫星星座。近地轨道道卫星(leo)主要用于军事目标探测，利用近地轨道道卫星容易获得目标物高分辨率图像。近地轨道道卫星也用于手机通讯，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小。多个卫星组成的通讯系统可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为近地轨道道卫星移动通信提供了技术保障。近地轨道道卫星是最新最有前途的卫星移动通信系统。

2、随着无线通信传输速率的飞速提升，信息安全问题逐渐受到人们的重视。但是传统的信息加密技术和物理层安全技术都无法完全解决隐私问题，因为窃听者可以通过分析窃听的流量数据获取关键的加密信息。因此隐蔽通信，也称作低检测概率通信可以实现通信双方的隐藏信息传输，防止通信信号被恶意窃听者发现，即信号隐蔽，若恶意用户无法确认信号的存在，则难以实施进一步的非法行为。

3、在近地轨道卫星网络中应用隐蔽通信，使网络免受地面基站bs的警惕性检测。将近地轨道卫星网络与地面基站之间的冲突模型化为一个两阶段的stackelberg博弈。开发了一种基于连续凸近似和黄金分割搜索的双层算法获得stackelberg均衡。近地轨道卫星网络的目的是在保证通信隐蔽性的条件下最大化其效用，地面基站的目的是在卫星做出决策后最小化其探测误差。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决近地轨道道卫星在与无人飞行器进行卫星通讯的过程中，敌对地面基站威胁通信安全的问题。本发明采用了隐蔽通信技术保护leo卫星网络免受警惕对抗地面基站的传输检测。近地轨道卫星网络采用隐蔽通信来隐藏卫星传输的存在。其中，近地轨道卫星间的同频干扰会在降低卫星传输可靠性的同时提高卫星传输的通信隐蔽性。在这种情况下，近地轨道卫星网络将进行功率控制，从而联合优化卫星传输的通信隐蔽性和链路可靠性。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种大规模多层近地轨道卫星网络中的隐蔽通信设计方法，包括如下步骤：

4、s1、采用二项式点过程对近地轨道卫星、无人机和地面基站的空间构型进行建模；

5、s2、构建无人机与近地轨道卫星间的通信模型；

6、s3、构建近地轨道卫星与地面基站之间的传输检测模型；

7、s4、在两阶段stackelberg博弈框架下对近地轨道卫星网络和地面基站之间的利益冲突进行建模；

8、s5、进行stackelberg平衡分析，提出一种基于连续凸近似和黄金分割搜索的双层算法来获得stackelberg平衡。

9、进一步地说，在上述技术方案的基础上，各步骤可进一步采取如下具体方式实现。

10、在步骤s1中，假设有s颗近地轨道卫星，集合用表示，形成一个k层网络，作为无人机的回程；在第层，有sk颗近地轨道卫星沿均匀二项式点过程分布在高度，其中为k层近地轨道卫星的集合，此外，在高度ru处存在u台无人机，其空间分布遵循一个独立的均匀二项式点过程其中为无人机集合；无人机可自由关联任意一层低轨卫星接入回程服务，低轨卫星与无人机通信采用最近卫星关联策略。

11、在步骤s2中，无人机u0接收到的近地轨道卫星sk,0的信号功率为：

12、

13、其中，为k层leo卫星的发射功率，为瑞利衰落后的小尺度衰落，而为以α为路径损耗指数的大尺度衰落，为天线增益，是近地轨道卫星sk,0发射天线增益与无人机u0接收天线增益的乘积。

14、进一步地，在以无人机u0为观测点的第k层，有两组近地轨道卫星，分别为可见和不可见近地轨道卫星，分别用和表示；在近地轨道卫星sk,0的活动状态，定义为和的条件下，无人机u0与近地轨道卫星sk,0关联时接收到的信号功率为：

15、

16、其中为近地轨道卫星的干扰，为无人机u0处的加性噪声；的定义如下：

17、

18、其中，为近地轨道卫星sk的活动指标，当近地轨道卫星sk活动时等于1，否则等于0；同理，是以无人机u0为观测点的近地轨道卫星sk的能见度指标，当时等于1，否则等于0。

19、无人机u0的信噪比sinr为：

20、

21、近地轨道卫星sk,0与无人机u0之间通信链路可靠性可通过成功传输概率来衡量,定义为：

22、

23、其中η为预定义解码阈值。

24、在步骤s3中，构造近地轨道卫星sk,0和地面基站bk,0之间的通信。从近地轨道卫星sk,0接收到的地面基站bk,0信号功率为：

25、

26、其中为瑞利衰落功率增益，而为大尺度衰落，为天线增益，是近地轨道卫星发射天线增益sk,0与地面基站接收天线增益bk，0的乘积。

27、在以地面基站bk，0为观测点的k层，假设有两组近地轨道卫星，且分别为可见和不可见近地轨道卫星，分别用和表示。如果近地轨道卫星sk，0处于非活动状态，定义为则在地面基站bk，0处接收到的信号功率为其中为近地轨道卫星的干扰，为地面基站bk，0处的加性噪声；的定义如下：

28、

29、其中，为以地面基站bk,0为观测点的近地轨道卫星sk的能见度指标，当时等于1，否则等于0；如果近地轨道卫星处于活动状态，则地面基站bk，0接收到的信号功率将额外包含近地轨道卫星sk，0的信号功率，表示为：

30、

31、在这种情况下，地面基站bk，0可以对其接收到的信号功率进行二元假设检验，以检测近地轨道卫星sk，0的传输，具体为：当小于预定义的功率阈值τk时，地面基站bk，0将支持否则为在此框架中，以近地轨道卫星为条件，地面基站bk，0在时发生虚警，在时发生漏检；因此，地面基站bk，0的虚警和漏检概率可以分别定义为：

32、

33、

34、在步骤s4中，提出的stackelberg博弈由两个阶段组成，其中地面基站作为下阶段的追随者，目标是最小化其探测误差，而近地轨道卫星网络作为领导者，目标是在通信隐蔽性约束下最大化其效用。其中，代表性网络节点上的stackelberg博弈的公式为多追随者单领导者博弈，其中，低轨卫星表示为sk，0，地面基站表示为bk，0，所有无人机表示为u0，定义如下:

35、1)下阶段：对于所有地面基站bk，0的目标是使其检测误差最小，具体如下：

36、

37、2)上阶段：对于近地轨道卫星网络，问题定义如下，

38、

39、

40、

41、其中ps和分别为的下界和上界，ε为地面基站bk，0的可容忍检测误差。约束是对所有的地面基站bk，0检测误差下界，以保证通信的隐蔽程度。目标是近地轨道卫星网络的网络效用，即奖励up与功率成本之间的差值，其中奖励可以实现当且仅当无人机u0能够成功地从leo卫星网络的至少一层访问反向服务，uc是单位成本。

42、在步骤s5中，首先，给定上阶段的策略，对下阶段问题进行分析，选择合适的算法从下阶段寻找其解作为最优对策。对于上阶段问题，采用基于sca的双层算法，共同考虑下层的最佳对策并搜索其解，上下两个阶段的解构成stackelberg平衡。

43、对于下阶段问题:给定ps，地面基站bk，0的目标可以重写为：

44、

45、其中，由于累积分布函数cdf的定义，(a)和(b)项相对于τk都增加。其中，相对于τk，项(a)比项(b)增长得更快；当τk很小，如时；在这种情况下，将相对于τk减小；当τk变大时，由于项(a)比项(b)更接近概率上界1，项(b)相对于τk的增长速度更快；将相对于τk增加；当给定ps时，相对于τk有一个槽形，表示地面基站bk，0的问题是一个具有单峰目标的无约束一维搜索问题。

46、最后，对于上阶段问题，采用sca方法，在此基础上，开发了一种双层算法，共同考虑下阶段问题的最佳响应，并寻找上阶段问题的解决方案；具体来说，进行如下转换：

47、

48、

49、上阶段问题可以改写为：

50、

51、

52、

53、采用算法1迭代求解上式问题的一个凸近似，得到其解；上式将上阶段问题的目标和约束用其替代函数代替而成，替换需要满足以下条件：

54、对于所有即函数值的一致性。

55、对于所有并且即梯度一致性。

56、对于所有相对于ps是强凸的。

57、算法1如下：

58、算法1为双层算法

59、data：找到一个可行的解作为初始点初始化迭代i＝0和error，并设置收敛容限∈；

60、

61、采用梯度下降更新作为上阶段问题改写问题的目标和约束的代理函数，其中确定满足上述三个条件，梯度下降更新如下，

62、

63、本发明具有的有益效果是：本发明提出的大规模多层近地轨道卫星网络中的隐蔽通信设计方法，可以保护近地轨道卫星网络免受对抗地面基站的传输检测。首先，与传统加密技术相比，即使对手具有强大的信息处理能力，隐蔽通信所达到的安全级别也不会降低。其次，如果卫星通信的存在对对手是隐藏的，那么它所携带的机密信息完全不受拦截。近地轨道卫星网络将进行功率控制，从而联合优化卫星传输的通信隐蔽性和链路可靠性。