基于队列稳定性的卫星安全波束成形算法
赖海光1，郑成辉1，石锋1，徐林1，魏武1，季铭仪2
（1.南京控维通信科技有限公司，江苏 南京 211135；
2.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）
【摘 要】针对频谱共享且存在受窃听风险的空天地一体化网络，提出了一种基于窃听者非完美信道状态信息的鲁棒安全波束成形方法。首先，在卫星、无人机和基站均采用多播技术服务地球站和地面用户，且实现频谱资源共享的情况下，建立长期平均功耗的最小化为目标，用户服务质量、窃听概率、发送功率预算和数据队列稳定性为约束条件的联合优化问题；其次，为了解决长期平均约束，利用李雅普诺夫优化技术将随机优化问题转化为每个时隙的惩罚发送功率最小化问题，并提出了一种迭代算法，结合伯恩斯坦不等式和连续凸逼近算法，以获取波束成形权向量以实现空天地一体化网络的安全可靠传输。最后，仿真结果证实了提出的方案可以显著提高保密性能，同时在功耗和队列稳定性之间取得良好的折中。
【关键词】空天地一体化网络；波束成形；物理层安全；非完美信道状态信息
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240521-0001
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2024)09-00102-07
引用格式：赖海光,郑成辉,石锋,等. 基于队列稳定性的卫星安全波束成形算法[J]. 移动通信, 2024,48(9): 102-108.
LAI Haiguang, ZHENG Chenghui, SHI Feng, et al. Queue-Stability-Based Secure Beamforming for Satellite Communications[J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 102-108.
0 引言
空天地一体化网络（SAGIN, Space-Air-Ground Integrated Networks）因其无所不在的连通性和无缝覆盖而被认为是第6代移动通信（6G, 6th Generation mobile system）的重要组成部分[1-3]。然而，由于无线信道的广播特性，在SAGIN中发送给合法用户的私有信息很容易被窃听者（Eve, Eavesdroppers）窃听。此外，随着量子计算的出现，传统的基于计算复杂度的安全方法可能不再适用，SAGIN迫切需要一种新的保密通信方法[4-6]。与传统的上层加密方案不同，物理层安全（PLS, Physical Layer Security）利用窃听者与期望用户之间的信道差异来增强安全性，并受到了广泛关注。例如，在假设已知用户完美信道状态信息（CSI, Channel State Information）的条件下，文献[7]的作者分别研究了在一个Eve和多个Eves两个场景下的总发送功率最小化问题。为了最大化卫星可达安全速率，文献[8]的作者设计了一个协作安全传输的波束成形（BF, Beamforming）方案，联合优化了卫星的BF权矢量和人工噪声。由于在现实中很难获得完美的CSI，文献[9]的作者采用了基于角度的CSI误差模型，并提出了一种鲁棒BF方案，最大化最坏情况下的可达速率。在文献[10]中，作者研究了无线携能SAGIN中的PLS问题，并提出了一种鲁棒BF方案，在安全约束条件下最大化总速率。尽管上述工作对SAGIN的PLS进行了深入研究，但它们主要假设SAGIN是一个静态网络，其用户数据流量不随时间动态变化。然而，需要注意的是，在实际的场景中，由于用户流量数据随时间随机变化，融合网络是作为动态随机系统运行。据我们所知，同时考虑SAGIN的安全性和随机动态特性仍然是一个尚未解决但具有挑战性的课题，目前尚未发表任何研究成果。
受这一观察启发，本文提出了一种鲁棒安全的BF方案，在增强SAGIN的安全传输的同时，保证系统的动态稳定性。具体而言，天基网络为地球站（ESs, Earth Stations）提供多播服务的同时，存在多个Eves企图窃听私密信号。地基网络和空基网络为地球站（TUs, Terrestrial Users）提供多播服务，并干扰窃听者增强卫星网络的安全性能。与大多数先前的工作[11]仅考虑静态优化框架不同，本文明确考虑了随机数据到达的影响，并建立了队列模型来表征数据到达的随机特性，并得到系统动态稳定的条件。进一步，在满足用户服务质量（QoS, Quality of Service）约束、窃听概率约束、发送功率预算和数据队列稳定性约束的条件下，制定了一个最小化长期平均功耗的动态优化问题。为了解决长期平均约束，本文利用李雅普诺夫优化技术将随机优化问题转化为每个时隙的惩罚发送功率最小化问题，并提出了一种迭代算法，结合不恩斯坦不等式和连续凸逼近（SCA, Sequential Convex Approximation）算法，以获取BF权向量。最后，仿真结果证实了所提出的方案可以显著提高保密性能，同时在功耗和队列稳定性之间取得良好的折中。
1 系统模型
如图1所示，本文探讨了存在多个窃听者情况下的SAGIN下行通信场景。其中，天基网络由一颗地球静止轨道卫星和地球站组成；空基网络由一个无人机组成；地基网络由一个基站和多个地面用户组成。在共享频谱资源的情况下，卫星配置具有MS个馈源的单反射面天线，在存在K个潜在Eves窃听私密信号的情况下为N个地球站提供服务；基站和无人机分别配置具NT个和Ns阵元的均匀面阵（UPA, Uniform Planar Arrays）来为M个地面用户提供服务，并向卫星网络发送绿色干扰。为了抑制同信道干扰，卫星、基站和无人机均采用了BF技术。与已有工作[12]类似，假设卫星和基站的数据到达随时间动态变化，卫星和基站在传输之前均有一定大小的缓冲区来存储数据，并在每个时隙中，采用多播技术向服务用户传输数据。接下来将具体介绍通信和队列模型。
1.1 信号和信道模型
1.2 队列模型
2 基于队列稳定性的鲁棒安全波束成形算法
3 计算机仿真和验证
图3显示了在不同参数V下队列长度与周期数的关系。数据包到达过程由参数λ=2表示，可达速率阈值表示为Rs,th=1 bit/s。可以观察到，当参数V在10到150的范围内变化时，队列长度减小。这是因为较小的V值导致队列最小化函数在整体优化目标中占主导地位。而当控制参数V设置为500时，功率最小化函数占主导地位，因此分配给传输数据的功率较少，导致队列长度增加。最终，通过选择不同的参数V值，提出的方法在稳定性和能耗之间实现了良好的折中。
图4显示了在不同方案下功耗与周期数的关系。可以观察到，随着周期数的增加，所提出的方案逐渐趋向于功率最小化算法。这一观察结果表明，提出的方案能够充分解决随机数据数量的影响，从而促进了长时间的功率最小化。相比之下，ZF算法和MRT算法表现出较差的性能。这是因为ZF方案未涉及波束赋形BF和功率的联合优化，而MRT方案未考虑网络干扰。因此，这两种方法均未能充分抑制干扰，需要更高的功率水平来满足QoS要求。此外，队列最小化方案始终采用最大功率传输以确保队列长度，导致功耗最高。以上观察结果证明了提出方案的优越性。
在图5中，显示了归一化的窃听者阈值的分布。正如预期所想，所提出的方案在方案设计过程中考虑了信道误差的影响，并且能够高效地满足保密要求。而在非鲁棒方案中，约有50%的值超过预期阈值。这证实了提出的方案能够大大减少信道估计误差的影响，从而显著提高了卫星通信的保密速率。
4 结束语
本文面向SAGIN，提出了一种基于非完美信道状态信息的鲁棒安全波束成形算法，以提升系统的安全性能。首先，在卫星和基站采用多播技术服务地球站和地面用户，且它们之间共享频谱资源的情况下，考虑数据包随机到达的影响，建立长期平均功率最小化为目标函数，QoS、窃听概率、系统发射功率和数据队列稳定性满足需求为约束的联合优化问题。为了求解该复杂问题，采用李雅普诺夫优化技术将原问题转化成单时隙功率最小化问题，并进一步结合伯恩斯坦不等式和SCA算法，求解得到令人满意的解。最后，仿真结果验证了该方案在保证安全性的同时，也在功耗和队列稳定性之间取得了较好的折中。
参考文献：（上下滑动浏览）
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★原文刊发于《移动通信》2024年第9期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240521-0001
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2024)09-00102-07
引用格式：赖海光,郑成辉,石锋,等. 基于队列稳定性的卫星安全波束成形算法[J]. 移动通信, 2024,48(9): 102-108.
LAI Haiguang, ZHENG Chenghui, SHI Feng, et al. Queue-Stability-Based Secure Beamforming for Satellite Communications[J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 102-108.
赖海光：博士毕业于南京大学计算机应用技术专业，现任南京控维通信科技有限公司副总经理，南京邮电大学产业教授，曾任解放军理工大学副教授。是我国卫星通信技术专家、第二届秦淮硅巷国际创新创业大赛主要完成人、2019年中国先进技术转化应用大赛主要完成人，南京市有突出贡献中青年专家。
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