[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

由于无人机(UnmannedAerial 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(LineofSight，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。

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。

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 ofService，QoS)。因此，有效的能量利用对于无人机的正常工作至关重要。

发明内容

本发明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，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，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。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

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)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。