一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法技术方案

一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法，属于无线通信技术领域。该方法建立了一种含有人工干扰无人机的安全通信网络模型，信源节点S向信宿节点D发送保密信息，同时存在窃听节点E窃听该保密信息，无人机U在飞行过程中作为人工干扰源向窃听用户发送干扰信号来阻止窃听以提高系统的安全通信速率。同时，该通信模型中含有多个禁飞区J，系统只能获得窃听节点的部分位置信息，该方法可以在不完整CSI(信道状态信息)的情况下对该安全通信系统进行鲁棒优化，并且在无人机飞行过程中绕开特定的区域，更贴近于实际应用场合。

A robust optimization method of power and disturbance UAV trajectory in communication system

【技术实现步骤摘要】
一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法
本专利技术涉及一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法，属于无线通信

技术介绍
在无线通信系统中，由于电磁波的基本物理特性导致非法用户可以直接从空中接口中窃听合法用户的保密信息。在现代社会日益信息化的今天，无线通信应用于各行各业，如何进行安全通信成为一个非常大的课题。传统的安全通信是基于密码学原理，将保密信息通过各种加密算法加密后再在空中接口上发送出去。非法窃听者虽然可以获得保密信息，但是无法进行解密，这样就保证了通信的安全性。但是这种安全通信是建立在一定的计算复杂度的基础上的，随着科技的日益发展，我们计算机的计算能力成倍的增加，以往一些设计比较薄弱的加密算法在非法窃听者强大的计算能力下已经失效，而且可以预见的是，随着社会的发展科技的进步，会有越来越多的加密算法会被证明是不安全的。科学家维纳在香农的理论基础上提出了信道安全容量的概念，它不基于密码学原理，而是通过合理的分配通信系统的通信资源使得非法窃听者的信道质量要远远差于合法接收者。在这种通信场景下，往往通过载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法，由含有人工干扰无人机的安全通信系统来实现：该系统主要包括信源节点S、信宿节点D、窃听节点E和人工干扰无人机U,同时包含多个禁飞区J，该系统中窃听者属于被动窃听者，系统无法获得其准确的信道状态信息，但能通过安装在无人机U上的SAR合成孔径雷达或是摄像头设备获得窃听者的大致位置信息，通过该位置信息，系统能获得窃听链路的部分信道状态信息，干扰无人机有固定的起飞点和降落点，分别表示为q

【技术特征摘要】
1.一种通信系统中功率及干扰无人机轨迹的鲁棒优化方法，由含有人工干扰无人机的安全通信系统来实现：该系统主要包括信源节点S、信宿节点D、窃听节点E和人工干扰无人机U,同时包含多个禁飞区J，该系统中窃听者属于被动窃听者，系统无法获得其准确的信道状态信息，但能通过安装在无人机U上的SAR合成孔径雷达或是摄像头设备获得窃听者的大致位置信息，通过该位置信息，系统能获得窃听链路的部分信道状态信息，干扰无人机有固定的起飞点和降落点，分别表示为q0和qF，无人机以固定高度进行飞行，在有限的时间T内要从起点飞至终点，通过优化无人机飞行过程中的干扰功率、飞行轨迹以及信源节点的信息发射功率来最大化安全通信系统的平均安全通信速率，该方法的具体步骤如下：
1)建立坐标系，确定各节点的坐标：
以信源节点S为原点建立三维坐标系xyz，由于信源节点S、信宿节点D、窃听节点E皆位于地面，省略掉z轴，将其坐标分别表示为wS＝(0，0)T、wD＝(xD,yD)T、wE＝(xE,yE)T，符号(·)T表示向量的转置，其中wE为窃听节点的估计坐标，窃听者的实际坐标处于以wE为圆心、半径为rE的圆形区域内，将窃听者的实际坐标表示为wER＝(xER,yER)T，估计坐标与实际坐标有以下关系：
wER＝wE+Δw(1)
其中，Δw＝(ΔxE,ΔyE)T表示估计位置与实际位置之间的误差，其中ΔxE,ΔyE分别表示误差向量的横坐标与纵坐标，Δw满足：



εE表示窃听节点E实际坐标与估计坐标之间可能误差的集合，将无人机的整个飞行时间段T离散化为N个时隙，每个时隙的时长为δ，N＝T/δ，无人机在第个时隙的坐标表示为qxyz[n]＝(x[n],y[n],H)T，设无人机在整个飞行期间以固定的高度H进行飞行，故省略z轴，其二维坐标表示为q[n]＝(x[n],y[n])T，无人机的起点和终点坐标表示为q0＝(x0,y0)T＝q[0]和qF＝(xF,yF)T＝q[N+1]；
2)计算各链路的信道增益：
地面节点之间的链路有两条：






地面节点与空中节点之间的链路有两条：






其中gSD与gSE分别表示信源节点S至信宿节点D和窃听节点E实际坐标的信道增益，hUD[n]和hUE[n]分别表示在第n个时隙无人机U至信宿节点D和窃听节点E实际坐标的信道增益，ρ0为任意两通信节点之间距离d＝1米时的参考信道增益，dSD代表信源节点与信宿节点之间的距离，dSER代表信源节点与窃听节点实际坐标wER之间的距离的，距离的单位皆为米，为路径损耗指数，ξD和ξE分别是与信宿节点和窃听节点相关的单位均值的指数分布随机变量，||·||表示对·求L-2范数，即欧几里得距离，单位是米；
3)计算合法链路和窃听链路的速率及系统的安全速率：






其中RSD[n]和RSE[n]分别表示在第n个时隙合法链路速率与窃听链路速率，表示求均值符号，PS[n]和PU[n]分别表示信源节点S和无人机U在第n个时隙的发送功率和干扰功率，σ2表示环境中高斯白噪声的功率，由以上两项可以计算出系统的平均安全速率：



Rsec表示系统的平均安全速率，符号表示对括号中的内容从n＝1到n＝N取和，符号[·]+表示取·和0两者间的较大者，即·为正值时取其本身，为负值时取0，表示在集合εE中取Δw使得RSE[n]的值达到最大；
4)确定优化问题：
无人机在飞行过程中，速度小于其最大的速率约束，即：
||q[n+1]-q[n]||2≤L2n＝0,1,2,...,N(10)
其中L＝Vmaxδ表示在1个时隙的时间内无人机所能够飞行的最大水平距离，Vmax为无人机最大飞行速度，此外，无人机为了避障或者是航空管制等原因应避开数个圆柱型禁飞区域：



其中wj＝(xj,yj)T表示第j个禁飞区域的水平中心坐标，符号表示取集合中所有的元素，rj表示第j个禁飞区域圆形半径，Hj表示第j个禁飞区域的高度，Hj＞H，禁飞区域的高度要高于无人机飞行高度，即无人机不能从禁飞区域的上空飞过，此外，无人机U的干扰功率及发射节点S的发射功率都需满足一定的平均功率和峰值功率限制：






上式中，(a)为平均功率约束，(b)为峰值功率约束，其中和分别表示信源节点S和无人机U的最大平均功率，和分别表示信源节点S和无人机U的最大峰值功率，由上述可得到以下优化问题：及其后面的式子表示为约束式，



无人机的轨迹、干扰功率以及信源节点S的发射功率的矢量集合分别表示为：
Q＝{q[1],q[2],...q[N]}、PU＝{PU[1],PU[2],...,PU[N]}及PS＝{PS[1],PS[2],...,PS[N]}，式中符号s.t为约束符号，符号max表示求最大值符号，max符号下的集合{Q,PS,PU}为优化变量集合，(14)式表示在约束式中对无人机速度、禁飞区、功率进行限制的条件下，求解目标函数即符号max后部分的最大值；C1-C4分别表示无人机的最大速率约束，无人机禁飞区约束、信源节点S的发射功率约束、无人机U干扰功率约束；
5)求解优化问题
公式(14)的优化问题是一个非光滑的非线性规划问题，属于非凸问题，不易直接求解，先对问题进行转化，将目标函数中的[·]+符号去掉并将常数略去，不影响问题的求解，目标函数变为：



对(15)中的RSD[n]和RSE[n]两项分别进行近似，利用Jensen不等式和函数的凹凸性取其下界和上界：



其中，Xn＝angSD，符号an表示合法链路信噪比与信道增益的比值，表示求均值符号，Xn是均值为的指数分布随机变量，对其求均值：



κ为欧拉常数，x代表与随机变量Xn相关的积分变量，将公式(17)带入公式(16)，RSD[n]的下界最终表示为：



符号表示“定义为”，对RSE[n]也做类似的处理，取其上界



公式(14)被转化为：



下面将公式(20)分解为三个子问题分别进行求解，其具体求解步骤为：
Step1.找到一个满足式(20)中所有约束的可行点作为初始点，设置迭代次数t＝0；在满足公式(1)(2)的情况下给出一个窃听节点的真实坐标wER＝(xER,yER)T，设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丕明，尹国枭，马艳波，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37