基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，包括以下步骤：建立无人机辅助无线双向中继系统；使用笛卡尔坐标系辅助描述双向中继系统的几何模型；对双向中继系统的能耗进行分析，得到无人机向目的地的保密吞吐量；选取能效优化问题选取的优化变量；采用块坐标下降法将能效优化问题分解成了三个子问题，通过交替优化三个子问题从而求得一个局部稳定的最优解。本发明专利技术将保密性能与无人机推进能耗进行结合研究，在保证保密性能的基础上实现能耗的节省，既保证了通信安全，也维护了绿色通信，避免了保证保密而忽略能耗后致使无人机在实际应用中推进能耗不足的缺点。的缺点。的缺点。

【技术实现步骤摘要】
基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法


[0001]本专利技术涉及无人机领域，特别涉及一种基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法。

技术介绍

[0002]目前随着视频流、电子健康信息监控、视频会议等异构数据应用在移动无线通信中不断兴起，传统的具有固定基础设施的通信网络系统已经无法满足高速无线通信网络中日益严格的服务质量需求。无人机辅助中继通信网络逐步成为支持5G以及之后的高速无线通信的新兴范例。与传统的固定地面基站(BSs)相比而言，无人机辅助中继可以通过其灵活性及高机动性实现更加经济、快捷的部署，为网络通信连接困难的地区进行通信连接，从而扩大网络覆盖范围并实现网络性能优化。
[0003]作为影响信道质量的关键因素，无人机通信的空对地(AG)信道特性和无人机的移动性都会给无人机通信中的物理层安全带来新的挑战和机遇。通过MPC算法导航轨迹进行预测控制从而加强自身保密性能，采用DC程序迭代以及多无人机协作干扰等基于无人机通信特性进行合理的保密率最大化的优化算法得到了广泛关注。
[0004]然而由于无人机在飞行过程中通常采用机载电池进行供能，因此能量供应有限。尽管可以对保密率进行一定限度的优化，但是无人机能源消耗无法得到控制，因此将有限的能源尽可能地进行高效利用也是需要引起高度重视的。
[0005]基于此，研究者提出了节能无人机优化算法以及兼顾吞吐量和无人机推进能耗的节能无人机中继通信方案，通过联合优化无人机和基站的发射功率、无人机的轨迹、加速度和飞行速度，最大限度解决无人机节能问题。但其仅仅解决了单向中继的能耗问题，对于存在窃听情况下的保密性能没有得到控制。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种算法简单、安全性高的基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：建立无人机辅助无线双向中继系统；
[0009]步骤二：使用笛卡尔坐标系辅助描述双向中继系统的几何模型；
[0010]步骤三：对双向中继系统的能耗进行分析，得到无人机向目的地的保密吞吐量；
[0011]步骤四：针对双向中继系统无人机能效最大化的问题，将无人机向目的地的保密吞吐量作为整个双向中继系统的保密吞吐量，选取能效优化问题选取的优化变量，得到能效优化问题的表达式；
[0012]步骤五：为了消除各能效优化问题所涉及变量之间的耦合，采用块坐标下降法将能效优化问题分解成了三个子问题，通过交替优化三个子问题从而求得一个局部稳定的最
优解。
[0013]上述基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，所述步骤一具体过程为：
[0014]假设由于阻挡，相距遥远的源节点S与接收节点R之间的直接通信链路被完全阻塞，因此需要对无人机UAV进行部署，使无人机作为移动双向中继来辅助两节点相互交换信息，实现正常通信；为了最大限度地利用探索无人机的可控机动性，采用解码转发DF传输协议；假设无人机在时分双工TDD模式下运行，在窃听者E存在的情况下，以双向无人机辅助中继协助源节点S与接收节点R之间的信息传输；假设源节点S与接收节点R的位置都固定在地面上，无人机在固定高度H的水平面上飞行，其中H是对应特定地形，避开建筑物所需的最小安全高度。
[0015]上述基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，所述步骤二具体过程为：
[0016]处于固定地面节点的S、R对应的水平坐标分别由w
s
(x
s
，y
s
)
T
、w
r
(x
r
，y
r
)
T
表示，窃听者坐标为w
e
(x
e
，y
e
)
T
；
[0017]假设无人机在时间T内从初始位置q0＝(x0，y0，H)
T
以恒定高度H飞行回到最终位置q
F
＝(x
F
，y
F
，H)
T
；无人机随时间t变化的位置坐标表示为q(t)＝[x(t)，y(t)，H]T
，0≤t≤T，由于高度固定，为了方便记法，设q(t)＝[x(t)，y(t)]T
，0≤t≤T；为了易于处理，采用离散状态空间近似，具体说来，将总时间T等分为N个足够小的时隙，将时隙长度记为δ
t
，为便于注释，使表示时隙集，则时间间隔T内的无人机轨迹近似由表示时隙集，则时间间隔T内的无人机轨迹近似由表示，其中q[n]＝q[nδ
t
]表示无人机在时隙n处的坐标位置，无人机的初始位置和终止位置分别表示为q0＝(x0，y0)
T
和q
F
＝(x
F
，y
F
)
T
，则有
[0018]q[0]＝q0ꢀꢀ
(1)
[0019]q[N]＝q
F
ꢀꢀ
(2)
[0020]无人机的位置，速度以及加速度之间的关系为：
[0021][0022]v[n+1]＝v[n]+a[n]δ
t
ꢀꢀ
(4)
[0023]其中v[n]和a[n]分别是无人机在时隙n处的速度和加速度，其中n＝1，2，
…
，N；设置无人机在初始和终止位置具有相同的始飞速度和降落速度，除此之外受到最大速度v
max
和最大加速度amax的限制，将上述条件表示为：
[0024]v[0]＝v[N]ꢀꢀ
(5)
[0025][0026][0027]上述基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，所述步骤三具体过程为：
[0028]基于无人机部署环境位于高空这一事实，无人机对地信道由视距链路所主导，因而采用LOS通信模型进行阐述，适用几乎没有堵塞或者遮挡的农村地区或者平地；基于测量结果展示，当飞行高度大于一定阈值时，无人机高机动性所造成的多普勒效应可以在各个
节点处进行补偿，因此，从源节点S到无人机UAV的信道功率增益h
su
、接收节点R到无人机UAV的信道功率增益hru遵循自由空间路径损耗模型，表示为：
[0029][0030][0031]其中，β0表示参考距离d0＝1米处的信道增益，而表示时隙n处S与UAV之间的链路距离，同理，表示时隙n处R与UAV之间的链路距离；类似的，其他各节点之间的信道系数表示为：
[0032][0033]表示时隙n处对应节点与UAV之间的链路距离；由于窃听者位置与源和接收点共同处于地面，为了实验的准确性，对空对地节点与地对地节点之间的信道增益进行区分，其中同属于地面节点的E与节点S、R之间的信道模型是同时考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立无人机辅助无线双向中继系统；步骤二：使用笛卡尔坐标系辅助描述双向中继系统的几何模型；步骤三：对双向中继系统的能耗进行分析，得到无人机向目的地的保密吞吐量；步骤四：针对双向中继系统无人机能效最大化的问题，将无人机向目的地的保密吞吐量作为整个双向中继系统的保密吞吐量，选取能效优化问题选取的优化变量，得到能效优化问题的表达式；步骤五：为了消除各能效优化问题所涉及变量之间的耦合，采用块坐标下降法将能效优化问题分解成了三个子问题，通过交替优化三个子问题从而求得一个局部稳定的最优解。2.根据权利要求1所述的基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，其特征在于，所述步骤一具体过程为：假设由于阻挡，相距遥远的源节点S与接收节点R之间的直接通信链路被完全阻塞，因此需要对无人机UAV进行部署，使无人机作为移动双向中继来辅助两节点相互交换信息，实现正常通信；为了最大限度地利用探索无人机的可控机动性，采用解码转发DF传输协议；假设无人机在时分双工TDD模式下运行，在窃听者E存在的情况下，以双向无人机辅助中继协助源节点S与接收节点R之间的信息传输；假设源节点S与接收节点R的位置都固定在地面上，无人机在固定高度H的水平面上飞行，其中H是对应特定地形，避开建筑物所需的最小安全高度。3.根据权利要求2所述的基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，其特征在于，所述步骤二具体过程为：处于固定地面节点的S、R对应的水平坐标分别由w
s
(x
s
，y
s
)
T
、w
r
(x
r
，y
r
)
T
表示，窃听者坐标为w
e
(x
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，y
e
)
T
；假设无人机在时间T内从初始位置q0＝(x0，y0，H)
T
以恒定高度H飞行回到最终位置q
F
＝(x
F
，y
F
，H)
T
；无人机随时间t变化的位置坐标表示为q(t)＝[x(t)，y(t)，H]
T
，0≤t≤T，由于高度固定，为了方便记法，设q(t)＝[x(t)，y(t)]
T
，0≤t≤T；为了易于处理，采用离散状态空间近似，具体说来，将总时间T等分为N个足够小的时隙，将时隙长度记为δ
t
，为便于注释，使表示时隙集，则时间间隔T内的无人机轨迹近似由q[n]＝q[nδ
t
]＝[x(n)，y(n)]
T
，表示，其中q[n]＝q[nδ
t
]表示无人机在时隙n处的坐标位置，无人机的初始位置和终止位置分别表示为q0＝(x0，y0)
T
和q
F
＝(x
F
，y
F
)
T
，则有q[0]＝q0ꢀꢀꢀ
(1)q[N]＝q
F
ꢀꢀꢀ
(2)无人机的位置，速度以及加速度之间的关系为：v[n+1]＝v[n]+a[n]δ
t
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中v[n]和a[n]分别是无人机在时隙n处的速度和加速度，其中n＝1，2，...，N；设置无人机在初始和终止位置具有相同的始飞速度和降落速度，除此之外受到最大速度v
max
和最
大加速度a
max
的限制，将上述条件表示为：v[0]＝v[N]
ꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)4.根据权利要求3所述的基于联合优化的双向无人机辅助通信系统安全传输方法，其特征在于，所述步骤三具体过程为：基于无人机部署环境位于高空这一事实，无人机对地信道由视距链路所主导，因而采用LOS通信模型进行阐述，适用几乎没有堵塞或者遮挡的农村地区或者平地；基于测量结果展示，当飞行高度大于一定阈值时，无人机高机动性所造成的多普勒效应可以在各个节点处进行补偿，因此，从源节点S到无人机UAV的信道功率增益h
su
、接收节点R到无人机UAV的信道功率增益h
ru
遵循自由空间路径损耗模型，表示为：遵循自由空间路径损耗模型，表示为：其中，β0表示参考距离d0＝1米处的信道增益，而表示时隙n处S与UAV之间的链路距离，同理，表示时隙n处R与UAV之间的链路距离；类似的，其他各节点之间的信道系数表示为：的链路距离；类似的，其他各节点之间的信道系数表示为：表示时隙n处对应节点与UAV之间的链路距离；由于窃听者位置与源和接收点共同处于地面，为了实验的准确性，对空对地节点与地对地节点之间的信道增益进行区分，其中同属于地面节点的E与节点S、R之间的信道模型是同时考虑距离相关路径损耗和小规模的瑞利衰落；基于研究双向中继系统的基本保密能量效率性能极限，假设无人机具有所有链路的全局CSI信息，表示为：限，假设无人机具有所有链路的全局CSI信息，表示为：其中K是由系统参数所确定的常数，ζ
se
和ζ
re
表示对应两点呈指数形式瑞利分布的衰落增益，α是路径损耗指数，而d
se
＝||w
s
‑
w
e
||表示地面节点S与窃听者E之间的链路距离；在双向中继系统中对于能耗的研究分成两个方面，其一是无人机进行地面或空中的通信能量消耗，另外一个是无人机用来维持飞行状态的推进能量消耗；对于通信能量部分，分别以p
s
[n]、p
u
[n]、p
r
[n]表示在第n个时隙时S、UAV、R的发射功率，用分别表示节点S、R和无人机的平均功率预算，以分别表示节点S、R和无人机的在单个时隙内的峰值功率，因此通信能量部分的通信能耗约束表示为：的在单个时隙内的峰值功率，因此通信能量部分的通信能耗约束表示为：的在单个时隙内的峰值功率，因此通信能量部分的通信能耗约束表示为：的在单个时隙内的峰值功率，因此通信能量部分的通信能耗约束表示为：
无人机的能量除了用于通信消耗之外，还用于推进飞行的能量消耗，固定翼无人机推进飞行的能耗E
UAV
与速度v[n]以及加速度a[n]有关，在时间为T的整个通信过程中，无人机的能量消耗关系表达式为：其中c1和c2是空气动力学中飞机设计时有关的恒定参数，g是重力加速度；为便于研究，假设所涉及到的噪声为独立同分布且服从CN(0，σ2)正态分布的加性高斯白噪声；由于全双工中继难以消除自干扰，无人机辅助中继以半双工和双向模式运行，这意味着时隙中的任何传输都由两个阶段组成，第一阶段称为多址阶段，即MA阶段，在MA阶段中，无人机同时接收从地面节点S和R发送的信息；第二阶段称为广播阶段，即BC阶段，在BC阶段中，无人机上的解码数据同时广播给合法接收节点S和R；为了区分MA阶段和BC阶段的时间，引入变量G[n]∈[0，1]，G[n]表示MA阶段时隙n的分数，1
‑
G[n]表示BC阶段时隙n的分数，那么在上行链路，从S到无人机的可达速率r
su
[n]和R到无人机的可达速率r
ru
[n]表示为：为：其中表示的是单位距离处的接收信噪比，在MA阶段，窃听者从节点S与R截获的时隙n中的可实现速率表示为：段，窃听者从节点S与R截获的时隙n中的可实现速率表示为：其中类似的，从无人机分别到各个节点的下行链路速率表示为：示为：示为：其中基于上述所列的有关于速率的等式，可得在整个过程中起始地向无人机的保密吞吐量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王仕果，李琳至，刘鸿东，阮秀凯，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：