一种全双工无人机中继系统联合优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全双工无人机中继系统联合优化方法及系统。所述方法以最大化保密速率为目标，以信源节点在各个时隙下的发射功率、无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、距离信息以及位置信息为约束条件，对信源节点的发射功率、无人机中继节点的发射功率、无人机的水平飞行轨迹和无人机的飞行高度进行动态调整，在已知窃听节点位置的情况下，最大化系统保密速率。本发明专利技术实现了中继通信系统保密速率的最大化，从而保证了通信的安全性。从而保证了通信的安全性。从而保证了通信的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种全双工无人机中继系统联合优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种全双工无人机中继系统联合优化方法及系统。

技术介绍

[0002]伴随着5G时代的来临，无线通信技术也将扮演愈来愈重要的角色。然而，由于无线信道的开放性，通信过程易遭受非法窃听，从而导致一系列通信安全问题。为保障通信系统的安全性能，物理层安全技术受到的关注越来越多。
[0003]近年来，无人机凭借其灵活、便捷、易于部署的优势，逐渐成为补充地面通信的良好选择。无人机作为终端参与通信任务，能够快速灵活部署，及时为基站无法覆盖的区域提供通信服务。一般情况下，无人机与地面节点间的通信链路往往都是视距链路，相比传统的无线信道可以显著提高传输速率。由于无线信道的开放性及无人机与地面节点间的视距链路传输，无人机在提升合法通信性能的同时也更易于遭受非法窃听者的窃听。由于无人机硬件条件受限，往往难于采用复杂的加密算法保证通信安全，因此物理层安全技术成为保障无人机与地面节点通信安全的重要途径。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要提供一种全双工无人机中继系统联合优化方法及系统，以对无人机中继系统的发射功率和三维轨迹进行联合调整，实现中继通信系统保密速率的最大化，从而保证通信的安全性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种全双工无人机中继系统联合优化方法，包括：
[0007]获取位置信息；所述位置信息包括信源节点的位置、信宿节点的位置、窃听节点的位置、无人机起飞的水平位置、无人机起飞的高度、无人机降落的水平位置和无人机降落的高度；
[0008]获取上一迭代次数下的飞行参量；所述飞行参量包括发射功率、水平飞行轨迹、飞行高度和保密速率；所述发射功率包括信源节点在各个时隙下的发射功率和无人机中继节点在各个时隙下的发射功率；
[0009]由所述上一迭代次数下的飞行参量，对第一联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率；所述第一联合优化模型是固定水平飞行轨迹和飞行高度，以保密速率最大为目标，以发射功率、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的；所述距离信息包括信源节点与无人机中继节点之间的距离、无人机中继节点与信宿节点之间的距离和无人机中继节点与窃听节点之间的距离；
[0010]由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度，对第二联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度；所述第二联合优化模型是固定发射功率，以保密速率最大
为目标，以水平飞行轨迹、飞行高度、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的；
[0011]由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度，计算当前迭代次数下的保密速率；
[0012]当所述当前迭代次数下的保密速率与上一迭代次数下的保密速率的差值小于预设阈值，或者当前迭代次数不小于预设最大迭代次数时，将所述当前迭代次数下的发射功率确定为最优发射功率，将所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹确定为最优飞行轨迹，将所述当前迭代次数下的飞行高度确定为最优飞行高度；否则，更新迭代次数后，返回获取上一迭代次数下的飞行参量的步骤。
[0013]可选的，在所述获取位置信息之后，还包括：
[0014]将无人机的飞行时间划分为N个大小相等的时隙。
[0015]可选的，所述由所述上一迭代次数下的飞行参量，对第一联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率，具体包括：
[0016]构建第一联合优化模型
[0017][0018][0019][0020]0≤P
S
[n]≤P
Smax
[0021]0≤P
R
[n]≤P
Rmax
[0022][0023]其中，P
S
为信源节点在各个时隙下的发射功率，P
S
[1]为信源节点在第1个时隙下的发射功率，P
S
[2]为信源节点在第2个时隙下的发射功率，P
S
[N]为信源节点在第N个时隙下的发射功率，N为时隙总数，P
R
为无人机中继节点在各个时隙下的发射功率，P
R
[1]为无人机中继节点在第1个时隙下的发射功率，P
R
[2]为无人机中继节点在第2个时隙下的发射功率，P
R
[N]为无人机中继节点在第N个时隙下的发射功率，P
R
[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率，γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值，u
RD
[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离的平方，为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界，为无人机中继节点的平均发射功率，为信源节点的平均发射功率，P
Smax
为信源节点的最大发射功率，P
Rmax
为无人机中继节点的最大发射功率，P
S
[n]为信源节点在第n个时隙下的发射功率，P
S
[j]为信源节点在第j个时隙下的发射功率，u
SR
[j]为第j个时隙下信源节点与无人机中继节点之间的距离的平方；
[0024]将所述上一迭代次数下的飞行参量输入所述第一联合优化模型，采用凸优化工具
箱进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率。
[0025]可选的，所述由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度，对第二联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度，具体包括：
[0026]构建第二联合优化模型
[0027][0028]s.t.q(0)＝q
I
,q(N)＝q
F
[0029]||q(n)
‑
q(n
‑
1)||≤Z
p
(n＝1...N)
[0030]h(0)＝H
I
,h(N)＝H
F
[0031]||h(n)
‑
h(n
‑
1)||≤Z
t
,h
min
≤h(n)≤h
max
(n＝1...N)
[0032][0033]其中，Q为水平飞行轨迹，H为飞行高度，N为时隙总数，q[1]为无人机在第1个时隙下的水平飞行轨迹，q[2]为无人机在第2个时隙下的水平飞行轨迹，q[N]为无人机在第N个时隙下的水平飞行轨迹，h[1]为无人机在第1个时隙下的飞行高度，h[2]为无人机在第2个时隙下的飞行高度，h[N]为无人机在第N个时隙下的飞行高度，为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的下界，为第n个时隙下无人机中继节点到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全双工无人机中继系统联合优化方法，其特征在于，包括：获取位置信息；所述位置信息包括信源节点的位置、信宿节点的位置、窃听节点的位置、无人机起飞的水平位置、无人机起飞的高度、无人机降落的水平位置和无人机降落的高度；获取上一迭代次数下的飞行参量；所述飞行参量包括发射功率、水平飞行轨迹、飞行高度和保密速率；所述发射功率包括信源节点在各个时隙下的发射功率和无人机中继节点在各个时隙下的发射功率；由所述上一迭代次数下的飞行参量，对第一联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率；所述第一联合优化模型是固定水平飞行轨迹和飞行高度，以保密速率最大为目标，以发射功率、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的；所述距离信息包括信源节点与无人机中继节点之间的距离、无人机中继节点与信宿节点之间的距离和无人机中继节点与窃听节点之间的距离；由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度，对第二联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度；所述第二联合优化模型是固定发射功率，以保密速率最大为目标，以水平飞行轨迹、飞行高度、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的；由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度，计算当前迭代次数下的保密速率；当所述当前迭代次数下的保密速率与上一迭代次数下的保密速率的差值小于预设阈值，或者当前迭代次数不小于预设最大迭代次数时，将所述当前迭代次数下的发射功率确定为最优发射功率，将所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹确定为最优飞行轨迹，将所述当前迭代次数下的飞行高度确定为最优飞行高度；否则，更新迭代次数后，返回获取上一迭代次数下的飞行参量的步骤。2.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法，其特征在于，在所述获取位置信息之后，还包括：将无人机的飞行时间划分为N个大小相等的时隙。3.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法，其特征在于，所述由所述上一迭代次数下的飞行参量，对第一联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率，具体包括：构建第一联合优化模型构建第一联合优化模型构建第一联合优化模型0≤P
S
[n]≤P
Smax
0≤P
R
[n]≤P
Rmax
其中，P
S
为信源节点在各个时隙下的发射功率，P
S
[1]为信源节点在第1个时隙下的发射功率，P
S
[2]为信源节点在第2个时隙下的发射功率，P
S
[N]为信源节点在第N个时隙下的发射功率，N为时隙总数，P
R
为无人机中继节点在各个时隙下的发射功率，P
R
[1]为无人机中继节点在第1个时隙下的发射功率，P
R
[2]为无人机中继节点在第2个时隙下的发射功率，P
R
[N]为无人机中继节点在第N个时隙下的发射功率，P
R
[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率，γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值，u
RD
[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离的平方，为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界，为无人机中继节点的平均发射功率，为信源节点的平均发射功率，P
Smax
为信源节点的最大发射功率，P
Rmax
为无人机中继节点的最大发射功率，P
S
[n]为信源节点在第n个时隙下的发射功率，P
S
[j]为信源节点在第j个时隙下的发射功率，u
SR
[j]为第j个时隙下信源节点与无人机中继节点之间的距离的平方；将所述上一迭代次数下的飞行参量输入所述第一联合优化模型，采用凸优化工具箱进行求解，得到当前迭代次数下的发射功率。4.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法，其特征在于，所述由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度，对第二联合优化模型进行求解，得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度，具体包括：构建第二联合优化模型s.t.q(0)＝q
I
,q(N)＝q
F
||q(n)
‑
q(n
‑
1)||≤Z
p
(n＝1
…
N)h(0)＝H
I
,h(N)＝H
F
||h(n)
‑
h(n
‑
1)||≤Z
t
,h
min
≤h(n)≤h
max
(n＝1...N)其中，Q为水平飞行轨迹，H为飞行高度，N为时隙总数，q[1]为无人机在第1个时隙下的水平飞行轨迹，q[2]为无人机在第2个时隙下的水平飞行轨迹，q[N]为无人机在第N个时隙下的水平飞行轨迹，h[1]为无人机在第1个时隙下的飞行高度，h[2]为无人机在第2个时隙下的飞行高度，h[N]为无人机在第N个时隙下的飞行高度，为第n个时隙下无人机中继节点到
信宿节点链路的信道容量的下界，为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界，q(0)为无人机的初始水平飞行轨迹，q
I
为无人机起飞的水平位置，q
F
为无人机降落的水平位置，q(n)为无人机在第n个时隙下的水平飞行轨迹，q(n
‑
1)为无人机在第n
‑
1个时隙下的水平飞行轨迹，h[0]为无人机的初始飞行高度，H
I
为无人机起飞点的高度，H
F
为无人机降落点的高度，h(n)为无人机在第n个时隙下的飞行高度，h(n
‑
1)为无人机在第n
‑
1个时隙下的飞行高度，Z
t
为一个时隙内垂直方向可飞行的最大距离，Z
p
为一个时隙内水平方向可飞行的最大距离，h
min
为无人机躲避障碍物所需的最小飞行高度，h
max
为无人机最大飞行高度，为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的上界，为第j个时隙下信源节点到无人机中继节点链路的信道容量的下界；将所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度输入所述第二联合优化模型，采用凸优化工具箱进行求解，得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度。5.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法，其特征在于，所述由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度，计算当前迭代次数下的保密速率，具体包括：建立保密速率计算模型其中，R
sec
为保密速率，R
RD
[n]为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量，R
RE
[n]为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量，N为时隙总数，P
R
[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率，γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值，d
RD
[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离，d
RE
[n]为第n个时隙下无人机中继节点与窃听节点之间的距离；将所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度输入所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉晓东，叶澍，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：