[发明专利]增强无线网络物理层安全的低空移动基站动态部署方法

说明书

本发明公开了一种增强无线网络物理层安全的低空移动基站动态部署方法。该方法以地面用户为坐标原点建立坐标系，空中平台对地面窃听者进行定位，获得其相对于坐标原点的位置，然后建立在飞行空域约束下的空中平台位置优化数学问题，并基于问题的几何属性和等价转化进行分步求解。其求解方法为：先求得最佳飞行高度，再将问题简化为二次分式规划，然后等价转化为二次规划，再接着等价转化为半定松驰问题，最后转化为一个凸的半定规划，其可以运用半定规划算法进行求解。本发明将一个复杂的非凸的动态位置优化问题最终转化为一个简单的凸的半定规划问题，给出的求解步骤简单、易于实现，并且能显著提高非零保密速率的概率。

技术领域

本发明主要涉及通信技术领域，具体涉及一种增强无线网络物理层安全的低空移动基站动态部署方法。

背景技术

由于可以按需部署的特点，以及较低的部署成本，基于低高度的空中基站实现蜂窝移动通信，已经在商业通信领域有着广泛的应用，例如应急响应、搜索救援、减轻基站流量负荷、自然灾害后的通信服务迅速重建等。然而，这种通信方式的广泛应用面临着一个重要问题——信息安全，即如何保护私密信息不被窃听。为了应对该问题，物理层安全被认为是一种非常有前景的技术。物理层安全能够通过实时的优化设计，来灵活地调整传输策略，以匹配信道的瞬时变化，从而提高信息安全。

在物理层安全中，大量的文献假设通信节点位置是固定的，安全传输策略设计没有考虑节点位置相对变化对系统安全性能的影响。然而，通信节点位置的合理部署可以带来显著的保密性能提升。比如，在无人机无线通信网络中，通过优化无人机的航迹来应对信息安全挑战，例如通过联合优化无人机的飞行轨迹和发射功率来最大化系统的保密传输速率。另外，可以通过优化无人机的三维空间位置和干扰功率来最大化截获概率安全域，从而提升系统的安全性能。还可以联合优化无人机的航迹和源/中继节点的发送功率，来提升无人机协作中继网络的保密传输速率。

上述这些工作都是通过对移动节点位置的优化部署来尽可能地提升不同场景下的无线通信系统的实时保密传输速率，需要发送端知道合法信道和窃听信道的精确信道状态信息。然而，精确的信道状态信息，特别是窃听者的信道状态信息在很多情况下是很难获取的，在这种情况下，实时地优化保密速率来提高信息安全是不可行的。

发明内容

本发明主要考虑在应急通信场景中，通过低空平台作为空中基站来服务地面用户，并考虑地面用户中存在潜在的窃听者。低空平台是一个可控的飞行器，如直升机、旋翼机、航空气球、无人机等。本发明的目的是充分利用空中平台的移动性和可控性，通过对低空平台进行位置优化，达到移动基站的最优动态部署，从而尽可能地提高系统保密传输的可能性，即最大化系统达到非零保密速率的概率。简而言之，本发明就是在空中平台的空域约束下，通过实时优化基站的三维空间位置来最大化非零保密速率的概率，从而尽可能地提高系统保密传输的可能性，并提出一种增强无线网络物理层安全的低空移动基站动态部署方法。本发明提出的方法在实现时不需要知道合法信道和窃听信道的精确信道状态信息，而仅需知道地面用户和窃听者的位置。对于配备视觉装置和定位装置的空中平台来说，地面用户和窃听者的位置获取是比较容易实现的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

增强无线网络物理层安全的低空移动基站动态部署方法，其特征在于，以地面用户为坐标原点建立坐标系，窃听者位置记为(x_e,y_e,0)，空中平台位置记为(x,y,z)，空中平台对地面的窃听者进行定位，获得其相对于坐标原点的位置；然后，对空中平台进行实时位置优化，来最大化系统的非零保密传输概率，从而尽可能地提高系统保密传输的可能性；具体包括以下步骤：

(1)建模数学问题

建模如下数学问题：