一种非正交多址接入空天地一体化物理层保密传输方法

本发明涉及无线通信，尤其是一种基于随机几何分布的非正交多址接入空天地一体化物理层保密传输方法。

背景技术：

1、基于非正交多址(noma)的空天地一体化网络(sagin)作为一种具有扩大信道容量、增加通信覆盖范围、提高系统性能等优点的关键技术，近年来受到了广泛关注。然而，随着通信覆盖范围的扩大，sagin系统的信号容易受到攻击。因此，基于noma的sagin的信号安全性问题受到越来越多的关注。包括干扰和拦截等攻击类型与物理层有着内在联系，使得传统加密方法难以评估物理层信号窃取问题。因此，基于noma的sagin系统物理层安全性问题成为研究热点。

2、现有针对基于noma的sagin系统的物理层安全研究中，一般都构建fso/rf双跳网络以提高系统性能。然而，现有技术的研究忽略雾吸收对于fso链路的影响和地面节点的随机几何分布对rf链路的影响。此外，地面用户随机分布对系统物理层安全性能的影响也鲜被关注。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种非正交多址接入空天地一体化物理层保密传输方法，采用noma技术，为sagin系统设计了一种基于随机几何分布的fso/rf双跳网络，实现非正交多址接入空天地一体化物理层的保密传输，该基于noma的sagin系统包含两个独立的窃听者，分别为fso链路的窃听者1和rf链路的窃听者2，卫星到无人机和卫星到窃听者1链路经历了符合málaga分布的大气湍流。此外，还考虑fso链路受雾吸收的影响。对于射频链路，考虑地面用户随机分布特点，无人机到用户和无人机到窃听者2链路存在以阴影莱斯分布为特征的阴影条件。该方法通过应用fso通信技术降低了频谱资源消耗，提升了系统保密性能，同时也通过应用noma技术，增加了合法信道的信道容量，降低了保密中断概率，对于实际应用具有重大意义。

2、本发明的目的是这样实现的：一种非正交多址接入空天地一体化物理层保密传输方法，其特点是采用noma技术，为sagin系统提出了一种基于随机几何分布的fso/rf双跳网络，实现非正交多址接入空天地一体化物理层的保密传输，具体包括以下步骤：

3、步骤1：构建基于随机几何分布的空天地一体化网络传输模型，使用非正交多址接入(noma)技术进行信号传输，考虑卫星-无人机中继-地面用户的通用传输模型。其中，卫星-无人机中继链路采用自由空间光(fso)通信技术，无人机中继-地面用户链路采用射频(rf)通信技术。考虑两段链路均存在有一个窃听者对传输信号进行窃听。

4、步骤2：在所构建的基于随机几何分布的空天地一体化网络中进行信号传输，卫星通过fso通信技术向无人机中继节点发送noma信号，无人机中继进行解码转发(df)，通过光电转换将fso信号转化为rf信号发送给地面用户，所述信号传输的具体过程如下：

5、2.1：卫星作为信号源，通过上行链路获取地面用户的信道状态信息，进而决定地面用户的发射功率，给予信道质量较差的用户(远用户)较大的发射功率，给予信道质量较好的用户(近用户)较小的发射功率，构造noma信号。

6、2.2：卫星与无人机中继建立通信，通过自由空间光通信技术向无人机中继发送noma信号。同时，窃听者1在无人机中继附近窃听信息并进行解码。fso链路考虑雾吸收对信号传输的影响。无人机中继节点配备有光接收机、rf信号发射机以及光电转换所需的硬件与软件。窃听者1配备有光接收机及fso信号对应的解码设备。

7、2.3：无人机中继对接收到的光信号进行解码，得到noma信号，之后进行光电转换，将光信号转换为rf信号向地面用户进行转发。rf链路考虑随机几何分布的影响。地面的远、近用户接收到无人机中继所转发的rf信号，通过串行干扰消除技术解调出所需信号。由于窃听者2的工作频率与近用户相同，且位置位于近用户附近，窃听者2仅对近用户所接收到的信号进行窃听。地面用户及窃听者2都具有rf信号接收机及对应的解码设备。

8、步骤3：计算基于随机几何分布的空天地一体化网络的保密中断概率。

9、所述noma的sagin信号传输系统包含两个独立的窃听者，分别为fso链路的窃听者1和rf链路的窃听者2，卫星到无人机和卫星到窃听者1链路经历了符合málaga分布的大气湍流。此外，还考虑fso链路受雾吸收的影响。对于射频链路，考虑地面用户随机分布特点，无人机到用户和无人机到窃听者2链路存在以阴影莱斯分布为特征的阴影条件。

10、所述fso链路的衰落采用málaga分布模型表征，所述rf链路服从阴影莱斯分布。此外，在fso链路中还考虑了指向误差和雾吸收的影响。在射频链路中，考虑了地面用户的随机几何分布。

11、本发明考虑了fso链路、rf链路均存在窃听者的情况，将fso链路的雾吸收以及rf链路的随机几何分布纳入考虑范畴，通过采用fso通信技术降低了频谱资源消耗，提升系统保密性能，同时通过noma技术增加合法信道的信道容量，降低保密中断概率。

12、本发明应用于卫星，无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者，考虑雾吸收对fso链路的影响以及随机几何分布对rf链路的影响，其具体方案如下：

13、本发明考虑一个基于随机几何分布的基于noma的sagin系统，由卫星s、无人机中继(r)、近用户(d1)和远用户(d2)以及两个窃听者(e1和e2)组成。卫星通过uav中继向地面用户传输信号，窃听发生在两个链路上。值得注意的是，无人机中继采用解码和转发(df)协议，其高度为h。近用户d1随机分布于一个圆盘内，该圆盘以无人机地面投影为中心，半径为r1。窃听者e2位于d1附近且工作频率与d1相同，只截取d1的信号。不失一般性，考虑r-d1链路比r-d2链路表现出更好的信道质量。由于工作频率不同，e1和e2独立窃听信号。

14、本发明采用málaga分布模型来表征fso链路的衰落。此外，在fso链路中还考虑指向误差和雾吸收的影响。由此，可以推导出fso链路信噪比的pdf和cdf由下述(a)～(b)式分别表示为：

15、

16、

17、其中

18、

19、

20、

21、

22、

23、

24、式中，表示雾信道的距离，hi分别为尺度参数和形状参数；为链路的平均信噪比；是与散射过程大尺度单元有效数量正相关的参数；是表示衰减参数数量的自然数；和的值反映了大气湍流的条件，两个参数的值越小，表示大气湍流对信号传输的不利影响越严重；表示离轴涡流接收散射分量的平均功率；表示总散射分量的平均功率，表示耦合到视距(los)分量的散射功率，满足条件表示相干项的平均功率，其中是los分量的平均功率，和分别是los和耦合到los的散射项的相位。此外，表示等效波束宽度与接收机指向误差的标准差之比。

25、另外，为fso链路所使用的检测技术，其中为外差检测，为im/dd技术。符号表示meijerg函数。此外,

26、

27、本发明采用的rf链路服从阴影莱斯分布，rf链路上阴影莱斯衰落信道的pdf和cdf由下述(c)～(d)式分别表示为：

28、

29、

30、其中，ψ∈{d2,d1,e2}；l∈{0,1,2}分别代表r-d1,r-e2和r-d2链路；代表r-ψ链路的平均信噪比；ωl是los分量的平均功率；2bl代表散射分量的平均功率；1f1(·,·,·)为第一类合流超几何函数；ml是代表信道衰落严重程度的参数；γ(x)是gamma函数；γ(s,x)为不完全gamma函数。

31、在射频链路中，考虑地面用户的随机几何分布，不失一般的，考虑近用户d1均匀分布以无人机在地面上的投影为圆心的圆盘内。因此，r-d1链路的传输距离d1的pdf和cdf可由下述(e)～(f)式分别表示为：

32、

33、

34、另外，考虑到e2与d1工作在同一频率且位置相邻，即d1表示r-e2链路的距离，假设窃听者e2只截取d1的信号，远端用户d2的位置均匀分布在以无人机在地面上的投影为中心、半径为r1～r2的圆环带内。因此，r与d2之间传输距离d2的pdf和cdf可由下述(g)～(h)式分别表示为：

35、

36、

37、根据对系统的描述，整个通信过程可以分为两个时隙。在第一个时隙，卫星s发射信号x(t)，并被无人机中继r接收，x(t)满足e[|x(t)|2]＝1，其中e[·]是期望函数。本发明采用noma技术，x(t)可以表示为其中x1(t)和x2(t)分别表示需要传输给d1和d2的信号。和为满足a1+a2＝1的功率分配因子。本发明考虑r-d1链路的信道质量比r-d2链路的信道质量更好。为保证d1和d2之间的用户公平性，系统分配更多的功率给d2，即a1<a2。因此，在无人机中继处接收到的信号可以由下述(i)式表示为：

38、

39、其中，ps为卫星的发射功率，η代表电光转换系数，hsr为卫星-无人机中继(即s-r)链路的信道系数，服从málaga分布。nsr(t)为s-r链路的加性高斯白噪声(awgn)，服从均值为0，方差为σsr2的正态分布。

40、因此，在无人机中继处接收到x(t)的瞬时信噪比可由下述(j)式表示为：

41、

42、同时，窃听者e1接收到的信号可由下述(k)式表示为：

43、

44、其中，为s-e1链路的信道系数，服从málaga分布。为s-e1链路的awgn，服从均值为0，方差为的正态分布。

45、因此，在窃听者e1处的瞬时信噪比可由下述(l)式表示为：

46、

47、在第二个时隙，无人机中继r将解码后的x(t)转发给地面用户d1和d2。因此，d1和d2接收到的信号可以由下述(m)～(n)式分别表示为：

48、

49、

50、其中，pr为无人机中继的发射功率。和分别为r-d1链路和r-d2链路的信道衰落系数。d1表示r与d1之间的距离，αt表示路径损耗因子。阴影莱斯分布被用于刻画阴影和遮蔽对于r-d1，r-d2和r-e2链路的影响。和表示d1和d2处的awgn，服从均值为0、方差分别为和的正态分布。

51、由于本发明采取了noma技术，当近端用户d1接收到信号x(t)时，需要使用串行干扰消除(sic)技术获取所需信号：首先解码x2(t)，然后从noma信号中去除x2(t)。之后，从剩余的信号中解码x1(t)。因此，用户d1处x2(t)和x1(t)的信干噪比(sinr)可由下述(o)～(p)式分别表示为：

52、

53、

54、其中，代表r-d1链路的瞬时信噪比。

55、当远端用户d2接收到信号，d2通过将x1(t)视为噪声直接解码出x2(t)，因为x2(t)的功率远大于x1(t)的功率。因此，d2处的sinr由下述(q)式表示为：

56、

57、其中，代表r-d2链路的瞬时信噪比。

58、对于在rf链路上截获信息的窃听者e2，接收到的信号可由下述(r)式表示为：

59、

60、其中，代表e2处的awgn，服从均值为0，方差为的正态分布。为r-e2链路的信道衰落系数，服从阴影莱斯分布。

61、窃听者e2同样使用串行干扰消除技术解码信号。在e2处x1(t)和x2(t)的sinr可由下述(s)～(t)式分别表示为：

62、

63、

64、其中，代表r-e2链路的瞬时信噪比。

65、在物理层安全领域，保密容量被定义为用户的信道容量与窃听者的信道容量之差。对于卫星-无人机中继和无人机中继-地面用户链路，其保密容量可由下述(u)～(v)式分别表示为：

66、

67、

68、其中，cr＝log2(1+xsr),和分别代表s-r，s-e1，r-d1和r-e2链路的信道容量。

69、保密中断概率(sop)被定义为瞬时保密容量低于阈值的概率，是通信系统物理层安全性能研究中不可缺少的指标。由sop的定义，可给出所构建系统的整体sop表达式由下述(w)式表示为：

70、

71、显然，sop由和三个部分决定，其分别代表卫星-无人机中继链路部分的保密中断概率、无人机中继-近用户链路部分的保密中断概率、无人机中继-远用户链路部分的中断概率。当其中任一部分发生保密中断现象时，认为整个系统发生保密中断现象。下面对这三个部分进行详细的推导。其中，的cdf已知，将x＝γ0代入，易得

72、根据sop定义，p(csr≥rs)可由下述(x)式表示为：

73、

74、其中，γ0代表信噪比阈值，该公式的闭式表达式难以被直接计算，因为积分部分包含了多项式幂的复杂积分。因此，可将p(csr≥rs)简化为下述(y)式：

75、

76、代入s-r，s-e1链路的瞬时信噪比的pdf，经过分部积分运算，可得下述(z)式：

77、

78、同样，对进行简化可得下述(i)式：

79、

80、代入r-d1，r-e2链路的瞬时信噪比的pdf，经过分部积分运算及化简，可得下述(ii)式：

81、

82、该积分存在奇异点，故可使用高斯-切比雪夫积分将该积分转换为有限项的和，即下述(iii)式表示为：

83、

84、其中，wq为高斯权重，xq为勒让德多项式的第q个零点。

85、将p(csr≥rs)，和三个部分的表达式代入可得，sop的表达式下述(iv)式表示为：

86、

87、本发明应用于卫星，无人机中继，一组远、近用户和两个非法窃听者。其中，卫星通过fso链路向无人机中继发射fso信号，在此过程中窃听者1对传输信号进行窃听，考虑雾吸收对于fso链路的影响。无人机中继在接收到fso信号之后，通过解码转发协议发射rf信号给地面用户，在此过程中窃听者2对rf信号进行窃听，考虑地面用户的随机几何分布对rf链路信号传输的影响。málaga和阴影莱斯信道模型分别被用于描述卫星-无人机中继和无人机中继-地面用户链路的信道衰落。

88、本发明与现有技术相比具有提高合法用户链路的信道容量，降低系统的保密中断概率，解决频谱资源消耗问题，大大提升了系统保密性能，同时也通过应用noma技术，增加了合法信道的信道容量，降低了保密中断概率，对于实际应用具有重大意义。