无人机辅助通信系统的保密通信性能优化装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机辅助通信系统的保密通信性能优化装置及方法，包括建立无人机辅助通信系统模型；根据所述无人机辅助通信系统模型中所述无人机、物联网设备、窃听设备的位置信息和物联网设备的发射功率，以及无人机发送给窃听设备的干扰信号功率构建保密通信性能优化问题和约束条件；求解所述保密通信性能优化问题的最优参数。有益效果在于：本发明专利技术将全双工无人机基站引入到无人机通信网络中，将其作为辅助通信设备，利用无人机给窃听设备发送干扰信号的方案，通过优化无人机的轨迹与干扰信号的功率来提高整个无线通信系统的安全性能。全性能。全性能。

【技术实现步骤摘要】
无人机辅助通信系统的保密通信性能优化装置及方法


[0001]本专利技术涉及通信
，具体涉及一种无人机辅助通信系统的保密通信性能优化装置及方法。

技术介绍

[0002]在无线通信技术与通信电子技术高速发展的今天，我们的身边存在着许多的通信设备，这些通信设备主要用于满足人们日常的沟通和工作需要，同时，也有一些通信设备被一些不法分子用作窃听设备，窃听他人的通信信息。在使用无人机辅助现有通信系统进行通信时，由于地面设备与无人机建立的空对地信道具有较强的开放性，若是地面存在窃听设备，地面设备与无人机的通信很容易被窃听。无人机辅助通信已经被认为是5G通信技术的关键技术之一，无人机势必会大规模应用于复杂的通信环境。因此，如何确保地面设备安全地与无人机进行通信成为关键问题。国内外许多学者已经注意到这个问题，相关的工作也取得一定地进展。现有的研究主要是通过优化无人机与地面设备的连接、无人机的位置或轨迹以及无人机与地面设备的发射功率，最大限度地提高系统的保密数据速率。
[0003]在实际情况中，由于窃听设备的存在，地面设备在给无人机基站发送信号时，信号会被被窃听，因为窃听者只窃听信号源的信号，且窃听设备与地面通信设备的距离是固定的，所以单纯通过优化无人机的轨迹来提高系统的保密数据速率不适用于上行链路场景。现有的研究很少通过干扰窃听设备窃听信号的过程来提高保密数据速率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供无人机辅助通信系统的保密通信性能优化装置及方法，基于干扰窃听设备，研究如何提高无人机辅助通信系统的安全性能，并提出一种基于块坐标下降算法和连续凸逼近方法的迭代算法，来优化无人机的轨迹和各个设备的发射功率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]本专利技术提供的一种无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，包括：
[0007]S1：建立无人机辅助通信系统模型；其中，所述模型包括无人机、物联网设备和窃听设备；所述无人机为位于空中的全双工无人机，用于接收物联网设备信号并发送干扰信号给窃听设备；所述物联网设备的数量为M个并位于地面，用于给无人机发送有用信号；所述窃听设备位于地面，用于窃听物联网设备发送的信号；
[0008]S2:根据所述无人机辅助通信系统模型中所述无人机、物联网设备、窃听设备的位置信息和物联网设备的发射功率，以及无人机发送给窃听设备的干扰信号功率构建保密通信性能优化问题和约束条件；
[0009]S3:求解所述保密通信性能优化问题的最优参数。
[0010]进一步地，构建保密通信性能优化问题和约束条件为：
[0011][0012][0013]a
i
[t]∈{0,1},i∈M,t∈N
ꢀꢀ
(11b)
[0014][0015]q[0]＝q[N+1]ꢀꢀ
(11d)
[0016][0017][0018][0019]其中，无人机的总飞行时间为T，被分成N个时隙，每个时隙的时长为τ，定义无人机在第t个时隙的位置坐标为(X[t],Y[t],H)，定义无人机的水平飞行轨迹为q[t]＝[(X[t],Y[t])]T
，用M表示M的集合，N表示N的集合，η表示最小的物联网设备的平均保密数据速率，A＝{a
i
[t],i∈M,t∈N}表示物联网设备与无人机的连接调度系数集合，a
i
[t]来表示物联网设备与无人机的连接调度情况，N表示物联网设备的发射功率集合，是第i个物联网设备在第t个时隙的发射功率，P
u
‑
jam
＝{p
u
‑
jam
[t],t∈N}表示无人机发送给窃听设备的干扰信号功率集合，p
u
‑
jam
[t]是无人机在第t个时隙发送给窃听设备的干扰信号功率，Q＝{(X[t],Y[t]),t∈N}表示无人机的水平轨迹坐标集合；
[0020]为保密数据速率，和分别表示物联网设备和无人机能提供的最大发射功率，S
max
表示无人机在每个时隙之间的最大飞行距离。
[0021]进一步地，求解所述保密通信性能优化问题的最优参数之前，采用变量松弛的方法将物联网设备与无人机的连接调度系数A变成大于0且小于1的变量，整个优化问题变成下面的形式：
[0022][0023]s.t.0≤a
i
[t]≤1,i∈M,t∈N
ꢀꢀ
(12a)
[0024](11a),(11c)
‑
(11g)
[0025]进一步地，基于块坐标下降和连续凸逼近的迭代算法将整个优化问分成四个子问题分别优化变量A、P
e
、P
u
‑
jam
以及Q。
[0026]进一步地，优化物联网设备与无人机的连接调度系数具体为：
[0027]初始化Q、P
e
和P
u
‑
jam
，得到一个优化变量A的问题：
[0028][0029][0030]0≤a
i
[t]≤1,i∈M,t∈N
ꢀꢀ
(13b)
[0031][0032]其中，为无人机接收第i个物联网设备在第t个时隙发送信号数据速率，为窃听设备在第i个物联网设备发送信号给无人机时窃听信号的数据速率。
[0033]利用凸优化求解工具包求解物联网设备与无人机的连接调度系数集合A。
[0034]进一步地，优化物联网设备的发射功率具体为：
[0035]固定A、Q和P
u
‑
jam
，得到一个优化变量P
e
的问题：
[0036][0037][0038][0039][0040]其中，其中，σ为高斯噪声λ
u
为全双工无人机的自干扰信号功率；
[0041]采用连续凸逼近方法将(14a)转化成标准的凸约束条件，将优化问题变成：
[0042][0043][0044][0045]利用凸优化求解工具包求解物联网设备的发射功率集合P
e
。
[0046]进一步地，优化无人机发送给窃听设备的干扰信号功率具体为：
[0047]固定A、Q、和P
e
，得到一个优化变量P
u
‑
jam
的问题：
[0048][0049][0050][0051]采用连续凸逼近方法将(17a)转化成凸约束条件将，优化问题变成：
[0052][0053][0054][0055]利用凸优化求解工具包求解无人机发送给窃听设备的干扰信号功率集合P
u
‑
jam
。
[0056]进一步地，优化无人机的飞行轨迹具体为：
[0057]固定A、P
e
和P
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，包括：S1：建立无人机辅助通信系统模型；其中，所述模型包括无人机、物联网设备和窃听设备；所述无人机为位于空中的全双工无人机，用于接收物联网设备信号并发送干扰信号给窃听设备；所述物联网设备的数量为M个并位于地面，用于给无人机发送有用信号；所述窃听设备位于地面，用于窃听物联网设备发送的信号；S2:根据所述无人机辅助通信系统模型中所述无人机、物联网设备、窃听设备的位置信息和物联网设备的发射功率，以及无人机发送给窃听设备的干扰信号功率构建保密通信性能优化问题和约束条件；S3:求解所述保密通信性能优化问题的最优参数。2.根据权利要求1所述的无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，构建保密通信性能优化问题和约束条件为：构建保密通信性能优化问题和约束条件为：a
i
[t]∈{0,1},i∈M,t∈N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11b)q[0]＝q[N+1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11d)(11d)(11d)其中，无人机的总飞行时间为T，被分成N个时隙，每个时隙的时长为τ，定义无人机在第t个时隙的位置坐标为(X[t],Y[t],H)，定义无人机的水平飞行轨迹为q[t]＝[(X[t],Y[t])]
T
，η表示最小的物联网设备的平均保密数据速率，M表示M的集合，N表示N的集合，A＝{a
i
[t],i∈M,t∈N}表示物联网设备与无人机的连接调度系数集合，a
i
[t]来表示物联网设备与无人机的连接调度情况，表示物联网设备的发射功率集合，是第i个物联网设备在第t个时隙的发射功率，P
u
‑
jam
＝{p
u
‑
jam
[t],t∈N}表示无人机发送给窃听设备的干扰信号功率集合，p
u
‑
jam
[t]是无人机在第t个时隙发送给窃听设备的干扰信号功率，Q＝{(X[t],Y[t]),t∈N}表示无人机的水平轨迹坐标集合；为保密数据速率，和分别表示物联网设备和无人机能提供的最大发射功率，S
max
表示无人机在每个时隙之间的最大飞行距离。3.根据权利要求2所述的无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，求解所述保密通信性能优化问题的最优参数之前，采用变量松弛的方法将物联网设备与无人机的连接调度系数A变成大于0且小于1的变量，整个优化问题变成下面的形式：
s.t.0≤a
i
[t]≤1,i∈M,t∈N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12a)(11a),(11c)
‑
(11g)4.根据权利要求3所述的无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，基于块坐标下降和连续凸逼近的迭代算法将整个优化问分成四个子问题分别优化变量A、P
e
、P
u
‑
jam
以及Q。5.根据权利要求4所述的无人机辅助通信系统的保密通信性能优化方法，其特征在于，优化物联网设备与无人机的连接调度系数具体为：初始化Q、P
e
和P
u
‑
jam
，得到一个优化变量A的问题：，得到一个优化变量A的问题：0≤a
i
[t]≤1,i∈M,t∈N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13b)其中，为无人机接收第i个物联网设备在第t个时隙发送信号数据速率，为窃听设备在第i个物联网设备发送信号给无人机时窃听信号的数据速率。利用凸优化求解工具包求解物联网设备与无人机的连接调度系数集合A...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐能，何春龙，张策，林东平，余弘，
申请(专利权)人：深圳以正科技有限公司，
类型：发明
国别省市：