基于统计信道状态信息的多波束卫星系统安全波束成形设计

摘要

由于卫星通信的广域覆盖特性和信道的广播特性,使得通信过程存在被窃听的风险.为增强多窃听场景下多波束卫星通信系统的安全性,在已知统计信道状态信息条件下,本文分别针对总发射功率最小化和安全速率最大化问题,提出了相应的波束成形(beamforming,BF)方案.首先,以安全速率为约束建立总发射功率最小化问题,通过拉格朗日乘数法推导出最优BF权矢量的解析表达式;然后,以安全速率最大化为准则,分别建立了以总发射功率受限和单波束发射功率受限的优化问题.针对总功率约束下的优化问题,根据广义瑞利熵方法求出最优BF权矢量的解析表达式;针对单波束发射功率约束下的优化问题,通过引用辅助变量将非凸优化问题转换为凸优化问题,进而提出了一种基于黄金分割法的BF算法以计算出最优BF权矢量.最后,通过计算机仿真验证了所提方案的有效性与正确性,并进一步分析了系统参数对安全性能的影响.与传统的BF方案相比,所提BF方案能更好地抑制窃听过程,从而获得更高的安全性能.