基于物理层安全的协作式无人机数据采集系统的设计方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于物理层安全的协作式无人机数据采集系统的设计方法，属于无人机上行通信的能量效率优化领域。在无人机采集信息的同时，一个潜在的窃听者试图监听传输的信息，利用空地链路的视距特性，设置另一架干扰无人机实现协作通信以提高系统安全性。基于此模型本发明专利技术提供了一种联合优化无人机轨迹、无人机速度、信源发射功率和结点调度的设计方法，该方法能够根据模型参数生成无人机最优的运动轨迹以最大化系统的安全能量效率。运动轨迹以最大化系统的安全能量效率。运动轨迹以最大化系统的安全能量效率。

【技术实现步骤摘要】
基于物理层安全的协作式无人机数据采集系统的设计方法


[0001]本专利技术属于无人机上行通信的能量效率优化领域，涉及一种利用双无人机协作对抗恶意窃听者的设计方案，具体是指无人机在进行数据采集时采取联合优化无人机轨迹、信源发射功率和结点调度的方法，从而达到最大化系统安全能量效率的目的。

技术介绍

[0002]由于无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有低成本、高灵活性、方便携带等优点，已经被广泛应用于军事或商业领域。而随着互联网与物联网技术的高速发展，人们对数据传输速率的需求将会增加上百倍，利用无人机辅助无线通信的想法将为传统的陆地蜂窝无线通信系统带来全新的挑战和发展机遇。无人机辅助通信具有很多优势，一方面是与地面通信相比，无人机的高海拔特性可以增加与地面用户之间建立短距离视距(Line of Sight，LoS)链路的概率，进而提升通信网络性能。另一方面，利用无人机灵活机动的优势，无人机可以实现快速部署或轨迹巡航，以支持复杂环境中的及时通信。
[0003]电磁波传输的广播性以及无线系统空中接口的开放性，会在赋予用户通信自由的同时给无线通信网络带来一些不安全因素，比如用户传输的信息可能存在被窃听的风险，这使得信息的安全交互变得无法保障。对于窃听，传统上人们倾向于在通信系统的网络层及以上各层采用加密技术来对抗窃听者，加密技术是通过复杂的数学方法产生的密钥对信息进行加密，从而阻碍非法窃听的进行。但随着计算机算力的增强和算法的突破，这种传统安全方法也变得不再可靠。近年来，学术界提出使用物理层安全技术来提高无线通信系统的安全性能，这为无线通信中的安全传输提供了一种新的思路。物理层安全技术利用了信道的一些物理特征，如多径、互易性、空间唯一性等在底层提高安全性，其理论基础是香农建立的信息论安全模型。物理层安全的主要研究方向是以窃听信道模型为基础的系统保密容量分析，以及研究如何产生主信道与窃听信道之间的可靠性差异，通常采用的一种方法便是添加人工噪声，即发送端在发送信号的同时使用一部分功率来发送噪声，可以保证在对合法接收者影响不大的情况下实现对窃听者的强干扰。本专利技术利用了空地链路的视距特性，在一架无人机收集地面信息的同时，设置了另外一架无人机作为干扰源发送人工噪声来抑制窃听，并通过适当的功率控制最小化对接受者的影响和最大化对窃听者的干扰。
[0004]尽管无人机的制造技术不断进步，但我们仍希望在降低无人机重量的同时延长续航时间，以便让无人机减少返回到充电站或交换点补充能量的次数，最大化提高通信服务质量(Quality of Service，QoS)。因此，有效的能量利用对于无人机的正常工作至关重要。本专利技术以最大化安全能量效率为目标，对系统中的参数进行了合适的设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决无人机数据采集系统中的能量效率问题。在无人机采集信息的同时，一个潜在的窃听者试图监听传输的信息，利用空地链路的视距特性，设置另一架干扰无人机实现协作通信以提高系统安全性，具体方案如示意图1所示。基于此模型本发
明提供了一种联合优化无人机轨迹、无人机速度、信源发射功率和结点调度的设计方法，该方法能够根据模型参数生成无人机最优的运动轨迹以最大化系统的安全能量效率。
[0006]本专利技术解决技术问题采用的技术方案如下：
[0007]第一步，构建系统模型：
[0008]1)在一个上行移动无人机通信网络中，一个工作在时分复用模式的合法无人机作为接收者(Bob)收集来自K个地面结点(k-Alice)，k∈{1,
…
,K}的机密信息。同时，在地面上存在一个位置不确定的潜在窃听者(Eve)试图拦截和窃听合法传输。为了提高通信系统的物理层安全性，系统设置了另外一架无人机作为干扰机(Jack)同时向Alice与Eve发射人工噪声。
[0009]2)在该模型中，无人机的飞行高度为H，使用轨迹离散方法将飞行周期T分为N个时隙，每个时隙长度为δ
t
＝T/N。无人机Bob与Jack在时隙n时的水平坐标分别表示为＝T/N。无人机Bob与Jack在时隙n时的水平坐标分别表示为和结点对应的水平坐标为由于窃听者的位置w
e
不确定，假设它在一个圆内的某个位置，估算的圆心位置为圆半径为r
e
。由于空地间信道的视距特性，假设空地信道增益满足自由空间路径损耗模型，单位参考距离下的功率增益表示为ρ0。视距链路的信道增益可表示为对于k-Alice到Eve的窃听信道，考虑大尺度路径损耗与小尺度瑞利衰落共存的情况，因此信道功率增益可以表示为
[0010][0011]其中随机变量ζ服从均值为1的指数分布，α>2是路径损耗指数。
[0012]3)设表示单个结点k-Alice的平均安全速率：
[0013][0014]其中为非光滑算子。用调度变量s
k
[n]＝1或0代表地面结点k在时隙n 时是否处于工作状态，p
k
[n]和p
j
[n]分别表示k-Bob和Jack在时隙n的传输速率。高斯白噪声的功率表示为(2)式中的R
kb
[n]和R
ke
[n]分别表示k-Alice到Bob的可达速率和k-Alice 到Eve的可达速率：
[0015][0016][0017]表示随机变量ζ的数学期望。整个系统的能量消耗主要包括两部分，与通信相关的电路能量消耗和推进动力能量消耗，因为第一部分的能量消耗较小，所以忽略不计。无人机推进功率与无人机速度v
i
[n]，和无人机模型参数有关，由叶片功率、寄生功率和牵引功率三部分组成，具体表达式可由下式近似写出：
[0018][0019]上中的两个常数P0和P
i
分别表示无人机在悬停状态下的固有叶片功率和牵引功率；Ω是叶片角速度；r是转子半径；d0代表机身阻力比；ρ代表空气密度；s是转子实度；A是转子盘面积；v0表示转子平均诱导速度。需要优化的变量有结点调度结点发射功率无人机Bob的轨迹与速度无人机Jack的轨迹与速度则系统的安全能量效率可以表示为：
[0020][0021]在安全能量效率的表达式中，分子是所有结点的传输的总比特数，B
w
是系统带宽；分母是两个无人机消耗的推进功率之和，是一个与无人机速度有关的非凸函数。
[0022]第二步，简化目标函数，列出优化问题：
[0023]1)目标函数分子中的是一个复杂且难求解的函数，应首先解决其非光滑性。证明如下：如果公式(3)中的在时隙n时是一个负值，则可以通过控制p
k
[n]＝0得到R
sec
[n]＝ 0。因此，发射结点总是可以通过功率控制使安全速率为非负值；换句话说，即合法信道比窃听信道弱时，发射结点可以保持静默状态。因此非光滑算子[
·
]+
不会影响问题的最优解，所以在接下来的推导中可以忽略。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理层安全的协作式无人机数据采集系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构建系统模型：1)在一个上行移动无人机通信网络中，一个工作在时分复用模式的合法无人机作为接收者Bob一个移动数据采集器收集来自K个地面结点k-Alice，k∈{1,
…
,K}的机密信息；同时，在地面上存在一个位置不确定的潜在窃听者Eve试图拦截和窃听合法传输；为了提高通信系统的物理层安全性，系统设置另外一架无人机作为干扰机Jack同时向Alice与Eve发射人工噪声；通过合理分配Jack的噪声发射功率以及设计飞机轨迹，有效提高系统的保密量；2)在该模型中，无人机的飞行高度为H，使用轨迹离散方法将飞行周期T分为N个时隙，每个时隙长度为δ
t
＝T/N；Bob与Jack在时隙n时的水平坐标分别表示为和结点对应的水平坐标为由于窃听者的位置w
e
不确定，假设它在一个圆内的某个位置，圆心位置为圆半径为r
e
；由于空地间信道的视距特性，因此假设空地信道增益满足自由空间路径损耗模型，单位参考距离下的功率增益表示为ρ0；视距链路的信道增益表示为对于k-Alice到Eve的窃听信道，考虑大尺度路径损耗与小尺度瑞利衰落共存的情况，因此信道功率增益以表示为其中，随机变量ζ服从均值为1的指数分布，α>2是路径损耗指数；3)设表示单个结点k-Alice的平均安全速率：其中，为非光滑算子；用调度变量s
k
[n]＝1代表地面结点k在时隙n时处于工作状态，p
k
[n]和p
j
[n]分别表示k-Bob和Jack在时隙n的传输速率；高斯白噪声的功率表示为公式(2)中的R
kb
[n]和R
ke
[n]分别表示k-Alice到Bob的可达速率和k-Alice到Eve的可达速率：Eve的可达速率：其中，表示随机变量ζ的数学期望；整个系统的能量消耗包括两部分，与通信相关的电路能量消耗和推进动力能量消耗，因为第一部分的能量消耗较小，忽略不计；无人机推进功率与无人机速度v
i
[n]和无人机模型参数有关，主要由叶片功率、寄生功率和牵引功率三部分组成，具体表达式由下式近似写出：
式中的两个常数P0和P
i
分别表示无人机在悬停状态下的固有叶片功率和牵引功率；Ω是叶片角速度；r是转子半径；d0代表机身阻力比；ρ代表空气密度；s是转子实度；A是转子盘面积；v0表示转子平均诱导速度；需要优化的变量有结点调度结点发射功率无人机Bob的轨迹与速度无人机Jack的轨迹与速度则系统的安全能量效率表示为：在安全能量效率的表达式中，分子是所有结点的传输的总比特数，B
w
是系统带宽；分母是两个无人机消耗的推进功率之和，是一个与无人机速度有关的非凸函数；第二步，根据第一步的具体设置，简化目标函数，列出优化问题：定义第k个结点的最差情况下的平均安全速率为η
k
是一个与S，P，B和J有关的函数，则平均安全和速率表示为优化的目标是系统的安全能量效率，根据该模型构建以下优化问题：(P1)：(P1)：(P1)：(P1)：(P1)：(P1)：(P1)：(P1)：在该优化问题中，C1和C2是地面结点调度约束，规定每个时隙Bob只能接受至多一个结点的信息，其他结点处于静默状态；C3是对变量η
k
的约束；C4中的R
min
代表每个用户需求的平均安全速率最小值；C5和C6分别是p
k
[n]的平均传输功率和峰值传输功率约束；C7
和C8分别是p
j
[n]的平均传的输功率和峰值传输功率约束；C9考虑了轨迹与速度之间的关系，无人机的初始和终止位置定义在C10中；由于该系统是双无人机系统，两个无人机应该避免碰撞C11；另...

【专利技术属性】
技术研发人员：张然，赵楠，逄小玮，刘明骞，邹德岳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：