卫星通信系统的物理层安全关键技术研究.pdf

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1、硕士学位论文卫星通信系统的物理层安全关键技术研究RESEARCHONPHYSICALLAYERSECURITYKEYTECHNOLOGIESFORSATELLITECOMMUNICATIONSYSTEM台祥雪哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN929.53学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文卫星通信系统的物理层安全关键技术研究硕士研究生：台祥雪导师：韩帅副教授申请学位：工学硕士学科：信息与通信工程所在单位：电子与信息工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：

2、哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN929.53U.D.C:621.3DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONPHYSICALLAYERSECURITYKEYTECHNOLOGIESFORSATELLITECOMMUNICATIONSYSTEMCandidate：TaiXiang-xueSupervisor：Prof.HanShuaiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpe

3、ciality：InformationandCommunicationEngineeringAffiliation：SchoolofElectronicsandIn-formationEngineeringDateofDefence：June2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文围绕卫星通信系统的星地链路通信安全问题展开，以提高卫星通信的保密性为最终目标。合法用户与窃听用户距离较近时，合法

4、信道与窃听信道近似相等，因而传统的地面无线通信物理层安全技术不适用于卫星安全通信。针对这一问题，提出了卫星通信系统物理层安全通信模型。在此模型的基础上，重点研究了中继选择和功率分配技术，以达到增强卫星通信保密性能的目的。首先，本文提出了协作-直连混合星地物理层安全通信模型。根据合法用户与窃听用户间距离的远近决定传输模式。当距离较近时，添加同时同频协作干扰中继，对窃听者进行干扰，降低窃听者的接收信号质量，从而获得保密容量。同时，通过理论推导，验证了该模型实现卫星通信安全的可行性。其次，本文在星地安全通信模型的基

5、础上，研究了增强系统保密中断概率性能的中继选择优化。在瞬时信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）已知的情况下，理论推导了使保密中断概率最小的最优中继选择准则。然而，由于瞬时CSI是不断变化的，因此卫星通信系统需要不停地进行中继选择，增大了信令开销。除此之外，系统可能存在不能获取瞬时CSI的情况。所以，研究了已知统计CSI条件下的中继选择。理论推导了使保密中断概率最小时的近似最优的中继选择准则。仿真结果揭示出已知瞬时CSI条件下的中继选择的保密中断概率性能优于已知统计CSI条件下

6、的中继选择。综合考虑系统的环境条件和两种中继选择方案的性能，给出了自适应的中继选择方案。最后，本文在星地通信模型的基础上，研究了总的发射功率约束一定时卫星与中继间发射功率的分配，以增强系统的保密中断概率性能。推导出了系统保密中断概率最小时，功率分配因子基于瞬时CSI的最优表达式。由于瞬时CSI的不停变化导致功率分配因子的不停更新，增大了系统的开销，同时系统可能存在无法获取瞬时CSI的情况。因此，为了解决这一问题，研究了基于统计CSI的功率分配。推导了系统保密中断概率的非闭合表达式，进一步地推导了系统保密中断概

7、率的近似闭合式，通过遍历功率分配因子的方式，求解了使保密中断概率闭合式的值最小时的基于统计CSI的功率分配因子。仿真验证了基于统计CSI的功率分配的复杂度可实现性以及基于瞬时CSI的功率分配保密中断概率性能优于基于统计CSI的功率分配，二者均增强了系统的保密性能。综合考虑系统的环境条件和两种功率分配方案的性能，给出了自适应的中继选择方案。关键词：卫星通信；物理层安全；功率分配；中继选择；保密中断概率-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSatellite-to-earthcommunicatio

8、nssecurityissuesofsatellitecommunications-ystemarefocusedon,withtheultimategoalofimprovingtheconfidentialityofsat-ellitecommunications.Whenlegitimateusersareclosetoeavesdropers,legitimatechannelsandwir